DE102016218785A1 - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffzellenstack mit zumindest einer Brennstoffzellenvorrichtung (10, 12, 14) und mit zumindest einem Trägerelement (16), das zu einem Tragen der zumindest einen Brennstoffzellenvorrichtung (10, 12, 14) vorgesehen ist. Es wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Trägerelement (16) zumindest im Wesentlichen aus einem Metall ausgebildet ist.The invention is based on a fuel cell stack with at least one fuel cell device (10, 12, 14) and with at least one carrier element (16) which is provided for carrying the at least one fuel cell device (10, 12, 14). It is proposed that the at least one carrier element (16) is formed at least substantially from a metal.
Description
Stand der TechnikState of the art
Es ist bereits ein Brennstoffzellenstack mit zumindest einer Brennstoffzellenvorrichtung und mit zumindest einem Trägerelement, das zu einem Tragen der zumindest einen Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen ist, vorgeschlagen worden.A fuel cell stack has already been proposed with at least one fuel cell device and with at least one carrier element which is provided for carrying the at least one fuel cell device.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffzellenstack mit zumindest einer Brennstoffzellenvorrichtung und mit zumindest einem Trägerelement, das zu einem Tragen der zumindest einen Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen ist.The invention is based on a fuel cell stack with at least one fuel cell device and with at least one carrier element which is provided for carrying the at least one fuel cell device.
Es wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Trägerelement zumindest im Wesentlichen aus einem Metall ausgebildet ist. Dadurch kann das zumindest eine Trägerelement besonders kostengünstig ausgebildet werden. Weiterhin kann das zumindest eine Trägerelement auf einfache Weise groß dimensioniert werden und somit eine besonders große Anzahl an Brennstoffzellenvorrichtungen getragen werden. Weiterhin vorteilhaft kann der Brennstoffzellenstack besonders kompakt ausgebildet werden. Dadurch können ein benötigter Bauraum und Kosten eingespart werden.It is proposed that the at least one carrier element is formed at least substantially from a metal. As a result, the at least one carrier element can be made particularly cost-effective. Furthermore, the at least one carrier element can be dimensioned large in a simple manner, and thus a particularly large number of fuel cell devices can be carried. Further advantageously, the fuel cell stack can be made particularly compact. As a result, a required installation space and costs can be saved.
Insbesondere sind auf dem Brennstoffzellenstack zumindest zwei Brennstoffzellenvorrichtungen elektrisch und/oder fluidtechnisch verschaltet. Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische und/oder thermische Energie, umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung ist vorzugsweise als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Vorteilhaft weist die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung einen Brennstoffzellentubus und/oder eine Gasführungslanze auf.In particular, at least two fuel cell devices are connected electrically and / or fluidically on the fuel cell stack. In this context, a "fuel cell device" should be understood as meaning in particular a device which is provided with at least one chemical reaction energy of at least one, in particular continuously supplied, fuel gas, in particular hydrogen and / or carbon monoxide, and at least one oxidant, in particular oxygen, in particular electrical and / or thermal energy, to transform. The at least one fuel cell device is preferably designed as a solid oxide fuel cell (SOFC). By "provided" is intended to be understood in particular specially programmed, designed and / or equipped. The fact that an object is intended for a specific function should in particular mean that the object fulfills and / or executes this specific function in at least one application and / or operating state. Advantageously, the at least one fuel cell device has a fuel cell tube and / or a gas guiding lance.
Unter einem „Brennstoffzellentubus“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein zumindest im Wesentlichen röhrenförmiger Grundkörper verstanden werden. Insbesondere bildet der Brennstoffzellentubus zumindest einen Teil einer äußeren Hülle der Brennstoffzellenvorrichtung. Der Brennstoffzellentubus ist insbesondere an einer Endseite geschlossen ausgeführt. Insbesondere weist der Brennstoffzellentubus zumindest einen gasdurchlässig ausgebildeten Teilbereich auf.In this context, a "fuel cell tube" is to be understood as meaning, in particular, an at least substantially tubular basic body. In particular, the fuel cell tube forms at least part of an outer shell of the fuel cell device. The fuel cell tube is designed in particular closed on one end side. In particular, the fuel cell tube has at least one gas-permeable part region.
Unter einer „Gasführungslanze“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein zumindest im Wesentlichen röhrenförmiges Element verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, zumindest in einem montierten Zustand zumindest teilweise in den Brennstoffzellentubus hineinzuragen. Vorteilhaft bildet die Gasführungslanze eine Gaszuführlanze und/oder eine Gasabführlanze aus. Insbesondere begrenzen der Brennstoffzellentubus und die Gasführungslanze in einem montierten Zustand zumindest einen Gasraum zumindest im Wesentlichen allseitig. Insbesondere ist die Gasführungslanze dazu vorgesehen, in zumindest einem Betriebszustand ein Brenngas in den Brennstoffzellentubus zu leiten.In this context, a "gas guiding lance" is to be understood as meaning, in particular, an at least substantially tubular element which is intended to project at least partially into the fuel cell tube, at least in an assembled state. Advantageously, the gas guiding lance forms a gas supply lance and / or a gas discharge lance. In particular, the fuel cell tube and the gas guiding lance in an assembled state limit at least one gas space at least substantially on all sides. In particular, the gas guiding lance is provided to guide a fuel gas into the fuel cell tube in at least one operating state.
Der Brennstoffzellentubus und/oder die Gasführungslanze ist/sind zumindest im Wesentlichen von einem keramischen Material gebildet. Der Brennstoffzellentubus und/oder die Gasführungslanze besteht/bestehen insbesondere mit einem Massenanteil von zumindest 75 %, vorteilhaft von zumindest 85 % und vorzugsweise von zumindest 95 % aus dem keramischen Material. Unter einem „keramischen Material“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein anorganisches, nichtmetallisches Material verstanden werden. Insbesondere kann das zumindest eine keramische Material zumindest teilweise kristallin sein. Unter „nichtmetallisch“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das zumindest eine keramische Material zumindest weitestgehend frei von insbesondere auf metallischen Bindungen beruhenden, metallischen Eigenschaften ist, jedoch Metallverbindungen, wie beispielsweise Metalloxide und/oder -silikate, umfassen kann. Das keramische Material kann insbesondere zumindest im Wesentlichen von einer Forsteritkeramik gebildet sein.The fuel cell tube and / or the gas guiding lance is / are at least substantially formed by a ceramic material. The fuel cell tube and / or the gas guiding lance consists in particular of a mass fraction of at least 75%, advantageously of at least 85% and preferably of at least 95%, of the ceramic material. A "ceramic material" is to be understood in this context in particular an inorganic, non-metallic material. In particular, the at least one ceramic material may be at least partially crystalline. By "nonmetallic" is to be understood in this context in particular that the at least one ceramic material is at least largely free of metallic compounds based on particular metallic properties, but may include metal compounds such as metal oxides and / or silicates. The ceramic material may in particular be formed at least substantially by a Forsteritkeramik.
Insbesondere weist die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Funktionsschicht auf, welche auf den wenigstens einen zumindest teilweise gasdurchlässig ausgebildeten Teilbereich aufgebracht ist. Unter einer „Funktionsschicht“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Schicht verstanden werden, welche insbesondere zumindest eine Anode und zumindest eine Kathode sowie zumindest ein zwischen der zumindest einen Anode und der zumindest einen Kathode angeordnetes Elektrolyt aufweist. Insbesondere kann die zumindest eine Funktionsschicht auf einer Innenseite und/oder einer Außenseite des Brennstoffzellentubus angeordnet sein. Vorzugsweise ist die zumindest eine Funktionsschicht vollständig auf einer Innenseite des Brennstoffzellentubus angeordnet.In particular, the fuel cell device has at least one functional layer which is applied to the at least one at least partially gas-permeable part region. In this context, a "functional layer" is to be understood as meaning, in particular, a layer which has, in particular, at least one anode and at least one cathode and at least one electrolyte arranged between the at least one anode and the at least one cathode. In particular, the at least one functional layer can be arranged on an inner side and / or an outer side of the fuel cell tube. Preferably, the at least one functional layer completely disposed on an inside of the fuel cell tube.
Bevorzugt bildet das zumindest eine Trägerelement eine Trägerplatte aus. Vorteilhaft ist das zumindest eine Trägerelement quaderförmig ausgebildet. Unter einem „Tragen“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere in einer festen Position halten verstanden werden. Insbesondere ist das zumindest eine Trägerelement dazu vorgesehen, zumindest zwei Brennstoffzellenvorrichtungen auf einer gemeinsamen Ebene zu tragen. Unter „zumindest im Wesentlichen“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere mit einem Massenanteil von mehr als 50 %, bevorzugt von mehr als 80 %, besonders bevorzugt von mehr als 95 % und ganz besonders bevorzugt vollständig verstanden werden. Vorteilhaft ist das Metall von einem Stahl gebildet.The at least one carrier element preferably forms a carrier plate. Advantageously, the at least one support element is cuboidal. By "carrying" in this context is meant to be understood, in particular, to hold in a fixed position. In particular, the at least one carrier element is intended to carry at least two fuel cell devices on a common plane. By "at least substantially" should be understood in this context in particular with a mass fraction of more than 50%, preferably more than 80%, particularly preferably more than 95% and very particularly preferably completely. Advantageously, the metal is formed by a steel.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Trägerelement zumindest im Wesentlichen aus einem aluminiumoxidbildenden Werkstoff ausgebildet ist. Dadurch kann eine Chromvergiftung der zumindest einen Kathode vorteilhaft vermieden werden. Bevorzugt bildet der aluminiumoxidbildende Werkstoff einen aluminiumoxidbildenden Stahl aus. Weiterhin vorteilhaft weist das zumindest eine Trägerelement eine reduzierte Chromfreisetzung auf. Besonders bevorzugt umfasst das zumindest eine Trägerelement eine Chromrückhalteschicht und/oder eine chrombindende Legierung.In a further embodiment of the invention, it is proposed that the at least one carrier element is formed at least substantially from an alumina-forming material. As a result, chromium poisoning of the at least one cathode can be advantageously avoided. Preferably, the alumina-forming material forms an alumina-forming steel. With further advantage, the at least one carrier element has a reduced release of chromium. Particularly preferably, the at least one carrier element comprises a chromium retention layer and / or a chromium-binding alloy.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Trägerelement zumindest einen Gasversorgungskanal umfasst, der zu einer Gaszuführung zur zumindest einen Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen ist. Dadurch kann eine besonders einfache und sichere Gaszuführung an die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung erzielt werden. Weiterhin kann eine besonders einfache und sichere Gasabführung von der zumindest einen Brennstoffzellenvorrichtung erzielt werden. Ferner können die Brennstoffzellenvorrichtungen vorteilhaft besonders dicht aneinander auf dem zumindest einen Trägerelement angeordnet werden. Der zumindest eine Gasversorgungskanal ist insbesondere zu einer Gaszuführung und/oder zu einer Gasabführung vorgesehen. Insbesondere ist der zumindest eine Gasversorgungskanal geschlossen ausgebildet. Insbesondere ist der zumindest eine Gasversorgungskanal innerhalb des zumindest einen Trägerelements angeordnet.Furthermore, it is proposed that the at least one carrier element comprises at least one gas supply channel which is provided for a gas supply to the at least one fuel cell device. As a result, a particularly simple and secure gas supply to the at least one fuel cell device can be achieved. Furthermore, a particularly simple and safe gas discharge can be achieved by the at least one fuel cell device. Furthermore, the fuel cell devices can advantageously be arranged particularly close to one another on the at least one carrier element. The at least one gas supply channel is provided in particular for a gas supply and / or for a gas discharge. In particular, the at least one gas supply channel is formed closed. In particular, the at least one gas supply channel is arranged within the at least one carrier element.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung zumindest ein elektrisches Anschlussmittel umfasst, das zu einer elektrischen Kontaktierung einer Funktionsschicht der zumindest einen Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen ist und das außerhalb des zumindest einen Gasversorgungskanals angeordnet ist. Dadurch kann sich das zumindest eine elektrische Anschlussmittel bei einem Erwärmen vorteilhaft ungehindert ausdehnen. Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass der Brennstoffzellenstack zumindest ein Abstandselement umfasst, das dazu vorgesehen ist, das zumindest eine elektrische Anschlussmittel vom zumindest einen Trägerelement zu beabstanden. Bevorzugt bildet das zumindest eine Abstandselement ein Keramikröhrchen aus. Bevorzugt bildet das zumindest eine elektrische Anschlussmittel einen elektrisch leitfähigen Draht und/oder eine Stromschiene aus.It is also proposed that the at least one fuel cell device comprises at least one electrical connection means which is provided for electrically contacting a functional layer of the at least one fuel cell device and which is arranged outside the at least one gas supply channel. As a result, the at least one electrical connection means can advantageously expand unhindered when heated. In addition, it is proposed that the fuel cell stack comprises at least one spacer element which is provided to space the at least one electrical connection means from the at least one carrier element. Preferably, the at least one spacer element forms a ceramic tube. The at least one electrical connection means preferably forms an electrically conductive wire and / or a busbar.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung eine Gasführungslanze aufweist, die zumindest einen Abluftkanal umfasst, der an einem Ende in eine Radialrichtung und der an einem anderen Ende in eine Axialrichtung geöffnet ist. Dadurch kann die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung besonders kompakt ausgebildet werden und gleichzeitig eine besonders zuverlässige Gaszuführung gewährleistet werden. Bevorzugt grenzt der zumindest eine Abluftkanal an zumindest einen Zuführkanal an.Furthermore, it is proposed that the at least one fuel cell device has a gas guiding lance which comprises at least one exhaust air duct which is open at one end in a radial direction and at another end in an axial direction. As a result, the at least one fuel cell device can be made particularly compact and at the same time a particularly reliable gas supply can be ensured. The at least one exhaust air duct preferably adjoins at least one supply duct.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung zumindest ein Dichtungselement umfasst, das zumindest eine axial durchgängige Abluftausnehmung umfasst. Dadurch kann die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung besonders kompakt ausgebildet werden und gleichzeitig eine besonders zuverlässige Gaszuführung gewährleistet werden. Weiterhin kann eine besonders einfache Montage erzielt werden. Ferner kann eine Teilevielfalt der zumindest einen Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft reduziert werden. Dadurch können Herstellungskosten der zumindest einen Brennstoffzellenvorrichtung besonders vorteilhaft reduziert werden. Besonders vorteilhaft bildet das zumindest eine Dichtungselement eine Glasdichtung aus. Insbesondere grenzt die zumindest eine Abluftausnehmung an zumindest einen Gasversorgungskanal des zumindest einen Trägerelements an.Furthermore, it is proposed that the at least one fuel cell device comprises at least one sealing element which comprises at least one axially continuous exhaust air recess. As a result, the at least one fuel cell device can be made particularly compact and at the same time a particularly reliable gas supply can be ensured. Furthermore, a particularly simple assembly can be achieved. Furthermore, a variety of parts of the at least one fuel cell device can be advantageously reduced. As a result, manufacturing costs of the at least one fuel cell device can be reduced particularly advantageously. Particularly advantageously, the at least one sealing element forms a glass seal. In particular, the at least one exhaust air cavity adjoins at least one gas supply channel of the at least one carrier element.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung einen Brennstoffzellentubus umfasst, der zu einer ausschließlich axialen Kontaktierung mit einem Dichtungselement vorgesehen ist. Dadurch kann eine besonders einfache und schnelle Montage der zumindest einen Brennstoffzellenvorrichtung auf dem zumindest einen Trägerelement erzielt werden. Insbesondere ist der Brennstoffzellentubus in eine Radialrichtung vor einer Montage kontaktfrei zu einem Dichtungselement ausgebildet.In addition, it is proposed that the at least one fuel cell device comprises a fuel cell tube which is provided for exclusively axial contacting with a sealing element. As a result, a particularly simple and rapid assembly of the at least one fuel cell device on the at least one carrier element can be achieved. In particular, the Brennstoffzellentubus is formed in a radial direction before mounting contactless to a sealing element.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung einen Brennstoffzellentubus umfasst, der an einer Außenfläche zumindest einen Montageflügel umfasst, der zu einer Montagehilfe vorgesehen ist. Dadurch kann eine besonders einfache und schnelle Montage der zumindest einen Brennstoffzellenvorrichtung auf dem zumindest einen Trägerelement erzielt werden. Unter einer „Außenfläche“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Fläche verstanden werden, die zu einer freien Umgebung des Brennstoffzellentubus hin orientiert ist. Insbesondere bildet die Außenfläche eine Mantelfläche und/oder eine Stirnfläche des Brennstoffzellentubus aus.It is also proposed that the at least one fuel cell device comprises a fuel cell tube which comprises on an outer surface at least one mounting blade, which leads to a Mounting aid is provided. As a result, a particularly simple and rapid assembly of the at least one fuel cell device on the at least one carrier element can be achieved. In this context, an "outer surface" is to be understood as meaning, in particular, an area which is oriented toward a free environment of the fuel cell tube. In particular, the outer surface forms a lateral surface and / or an end face of the fuel cell tube.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung einen maximalen Außendurchmesser von weniger als 45 mm aufweist. Dadurch können besonders viele Brennstoffzellenvorrichtungen auf einem Brennstoffzellenstack auf engem Raum angeordnet werden. Dadurch kann der Brennstoffzellenstack eine hohe elektrische Leistung erzielen und gleichzeitig besonders kompakt ausgebildet werden. Besonders bevorzugt weist die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung einen maximalen Außendurchmesser von weniger als 44 mm und ganz besonders bevorzugt von weniger als 43 mm auf. Vorteilhaft weist die zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung einen maximalen Außendurchmesser von 42 mm auf.Furthermore, it is proposed that the at least one fuel cell device has a maximum outer diameter of less than 45 mm. As a result, a particularly large number of fuel cell devices can be arranged on a fuel cell stack in a small space. As a result, the fuel cell stack can achieve a high electrical output and at the same time be made particularly compact. Particularly preferably, the at least one fuel cell device has a maximum outer diameter of less than 44 mm and most preferably of less than 43 mm. Advantageously, the at least one fuel cell device has a maximum outer diameter of 42 mm.
Des Weiteren wird/werden eine Brennstoffzellenvorrichtung und/oder ein Trägerelement eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstacks vorgeschlagen.Furthermore, a fuel cell device and / or a carrier element of a fuel cell stack according to the invention is / are proposed.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstacks vorgeschlagen, wobei nach einem Sintern eines Brennstoffzellentubus einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Gasführungslanze der Brennstoffzellenvorrichtung ein elektrisches Anschlussmittel mit einer Funktionsschicht der Brennstoffzellenvorrichtung elektrisch verbunden wird. Dadurch können der Brennstoffzellentubus und die Gasführungslanze mit einer Prozesstemperatur von 1200 °C miteinander verbunden werden, ohne dass es zu einem hitzebedingten Schaden des elektrischen Anschlussmittels kommt.Furthermore, a method for producing a fuel cell stack is proposed, wherein after sintering a fuel cell tube of a fuel cell device with a gas guiding lance of the fuel cell device, an electrical connection means is electrically connected to a functional layer of the fuel cell device. As a result, the fuel cell tube and the gas guiding lance can be connected to one another with a process temperature of 1200 ° C., without there being any heat-related damage to the electrical connection means.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstack soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstack zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.The fuel cell stack according to the invention should not be limited to the application and embodiment described above. In particular, the fuel cell stack according to the invention may have a number deviating from a number of individual elements, components and units mentioned herein for fulfilling a mode of operation described herein.
Zeichnungdrawing
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages emerge from the following description of the drawing. In the drawing, an embodiment of the invention is shown. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.
Es zeigen:Show it:
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
In der
Das Trägerelement
Das Trägerelement
Das Trägerelement
Im Folgenden wird lediglich Bezug auf eine Brennstoffzellenvorrichtung
Wie in der
Der Brennstoffzellentubus
Die Gasführungslanze
Die Brennstoffzellenvorrichtung
Der Brennstoffzellentubus
Die Brennstoffzellenvorrichtung
Wie in der
In der
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