DE19645111C2 - Space-saving cell stack arrangement made of solid oxide fuel cells - Google Patents

Space-saving cell stack arrangement made of solid oxide fuel cells

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Description

Die Erfindung betrifft eine raumsparende Zellstapelanordnung aus Festoxidbrennstoffzellen. Die Zellspannung einer Festoxid- Brennstoffzelle aus bipolaren Platten liegt im Bereich von 0,7 V. Einzelne Zellen werden daher in Zellstapeln (Stacks) in Reihe geschaltet, beispielsweise in einem Stack mit 40 Zellen, der dann eine Stackspannung von etwa 30 V hat. Die einzelnen Stacks werden in Reihe geschaltet, um für Wechselrichter eine optimale Spannung, beispielsweise 400 V, zu erzielen. Auch die Gasströme von Stacks werden vorteilhafterweise in Reihe geschaltet, d. h. kaskadiert, um eine hohe Gasausnutzung bei kleinen thermischen Beanspruchungen zu erreichen.The invention relates to a space-saving cell stack arrangement from solid oxide fuel cells. The cell voltage of a solid oxide Fuel cell made of bipolar plates is in the range of 0.7 V. Individual cells are therefore in cell stacks in Connected in series, for example in a stack with 40 cells, which then has a stack voltage of about 30 V. The single ones Stacks are connected in series to create one for inverters to achieve optimal voltage, for example 400 V. The gas flows from stacks are also advantageously in Series connected, d. H. cascaded to high gas utilization can be achieved with small thermal loads.

Die elektrische Reihenschaltung und die Kaskadierung der Stacks führt zu aufwendigen Verbindungen; denn die Verbindung der Gasanschlüsse an den einzelnen Stacks, die sogenannten Manifolds, müssen mit entsprechenden Manifolds anderer Stacks verbunden werden. Da die Leistung der einzelnen Stacks von etwa 1 kW vergleichsweise klein ist, müssen viele Stacks elektrisch und pneumatisch miteinander verbunden werden, um eine Brennstoffzellenanlage mit einer Leistung von einigen 100 kW zu schaffen. The electrical series connection and the cascading of the Stacks lead to complex connections; because the connection the gas connections to the individual stacks, the so-called Manifolds must match other manifolds' manifolds get connected. Because the performance of each stack of around 1 kW is comparatively small, many stacks need electrically and pneumatically connected to each other a fuel cell system with an output of some 100 to create kW.  

Die bisher bekannten Lösungen des Verbindungsproblems sind voluminös und sehr aufwendig, wobei automatisierte Verfahren nur eingeschränkt verwirklicht werden können.The previously known solutions to the connection problem are voluminous and very complex, with automated processes can only be realized to a limited extent.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Stapel aus Festoxidbrennstoffzellen, die zwischen 20°C und ca. 1000°C auftretenden Temperaturausdehnungen zu berücksichtigen. Darüber hinaus sollen die Stapel aus Festoxidbrennstoffzellen abgestützt und gegen Leckagen geschützt werden.The invention has for its object in a stack Solid oxide fuel cells that are between 20 ° C and about 1000 ° C temperature expansions to be taken into account. In addition, the stacks of solid oxide fuel cells are said to supported and protected against leakage.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved by means of of the features listed solved.

Ein Beispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.An example of the invention is illustrated by the drawing explained.

Dabei zeigt:It shows:

Fig. 1 die Zellstapelanordnung im Querschnitt; Fig. 1, the cell stack assembly in cross section;

Fig. 2 die Anordnung in Seitenansicht; Figure 2 shows the arrangement in side view.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt der Zellstapelanordnung. Die Anordnung besteht aus 9 Stack­ säulen 1a-1i (Fig. 2), die aus 3 Lagen von Stacks besteht. Eine Stacksäule baut dazu senk­ recht und entsteht durch Stapeln von Stacks in der Weise, daß der elektrische Strom eine Säule von einem zum nächsten Stack durchfließt, was eine Hintereinanderschaltung senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 bedeutet. Fig. 1 shows a cross section of the cell stack assembly. The arrangement consists of 9 stack columns 1 a- 1 i ( Fig. 2), which consists of 3 layers of stacks. A stacking column builds perpendicular to it and is created by stacking stacks in such a way that the electrical current flows through a column from one stack to the next, which means a series connection perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1.

In Fig. 1 bilden Stacks an den Stellen a, b und c eine Reihe 2 ganz rechts in der Figur, die Stacks am Ort d, e und f die Reihe 2' und die Stacks an den Stellen g, h und i die Reihe 2'' ganz links.In Fig. 1, stacks at positions a, b and c form a row 2 on the far right in the figure, the stacks at location d, e and f the row 2 'and the stacks at positions g, h and i the row 2 '' Far left.

Jede Stacksäule ist mit einem Zuleitungsrohr 3a bis 3i für das Brenngas und mit einem Rohr 4a bis 4i für das verbrauchte Brenngas (Abgas) verbunden. Im hier behandelten Fall durch­ strömt das Brenngas aber die Stacks a, d, g einer horizontalen Reihe (in der Figur die oberste Reihe), die Stacks sind "kaskadiert".Each stacking column is connected to a feed pipe 3 a to 3 i for the fuel gas and to a pipe 4 a to 4 i for the used fuel gas (exhaust gas). In the case discussed here, however, the fuel gas flows through the stacks a, d, g of a horizontal row (in the figure the top row), the stacks are "cascaded".

Das Brenngas tritt beispielsweise in die Stacksäule 1a durch das Rohr 3a oben ein und verläßt diese Säule durch das Rohr 4a nach unten. Dieses Rohr, das abgereichertes Brenngas führt, ist mit dem Rohr 3d der Stacksäule 1d unten verbunden. Das Brenngas durchströmt diese Säule nach oben und verläßt sie durch das Rohr 4d oben. Das Rohr 4d ist oben mit dem Rohr 3g der Stacksäule 1g verbunden. Das Brenngas durchströmt die Stacksäule 1g von oben und verläßt diese durch das Rohr 4g unten.The fuel gas enters, for example, the stack column 1 a through the pipe 3 a above and leaves this column through the pipe 4 a down. This tube, which leads to depleted fuel gas, is connected to the tube 3 d of the stacking column 1 d below. The fuel gas flows through this column upwards and leaves it through the tube 4 d above. The tube 4 d is connected at the top to the tube 3 g of the stacking column 1 g. The fuel gas flows through the stack column 1 g from above and leaves it through the tube 4 g below.

Das sauerstoffhaltige Gas, vorzugsweise Luft, wird durch die rechteckigen Fenster 5a, 5b und 5c in der Ausgleichsmatte 8u aus dem Frischluftkanal 6 durch die Stacks zum Abluftkanal 7 geleitet. In Fig. 1 ist rechts in der Reihe der Stacks a, b, c jeweils eine der Sauerstoff führen­ den drei Ebenen entfernt, um die darunterliegende Brenngasebene darzustellen. In den restli­ chen Reihen 2' und 2'' gilt das gleiche.The oxygen-containing gas, preferably air, is passed through the rectangular windows 5 a, 5 b and 5 c in the compensation mat 8 u from the fresh air duct 6 through the stacks to the exhaust duct 7 . In Fig. 1 on the right in the row of stacks a, b, c one of the oxygen levels is removed from the three levels in order to show the fuel gas level underneath. The same applies in the remaining rows 2 'and 2 ''.

Die Stacksäulen sind gegeneinander elektrisch isoliert. Die Mittel zur Isolierung dienen gleichzeitig zur Dichtung gegen Leckluft. Dazu gibt es die in der Fig. 1 vertikal dargestellten und bereits erwähnten Ausgleichsmatten 8u bis 8z, deren jede 9 Fenster für die Luftführung aufweist und horizontal liegende Platten 9 und 9' als Abschlußplatten. Wie in Fig. 1 darge­ stellt, bilden die Begrenzungsplatten 10 und 10' den Abschluß. Die Ausgleichselemente 11 und 11', die als Stellvertreter oder neben den Gasführungskanälen angeordnet sind, verlaufen senkrecht zur Zeichenebene und stützen, isolieren und dichten die Säulen gegeneinander. Die Ausgleichselemente 11 sind aus einem ähnlichen Material wie die Rohre 3 und 4. Die Streifen 11' bestehen aus einem keramischen Filz.The stacking columns are electrically insulated from each other. The insulation means also serve to seal against leakage air. For this there are the leveling mats 8 u to 8 z, which are shown vertically in FIG. 1 and have already been mentioned, each of which has 9 windows for the air guidance and horizontally lying plates 9 and 9 'as end plates. As shown in Fig. 1 Darge, the boundary plates 10 and 10 'form the conclusion. The compensating elements 11 and 11 ', which are arranged as representatives or next to the gas guide channels, run perpendicular to the plane of the drawing and support, isolate and seal the columns against each other. The compensating elements 11 are made of a similar material to the tubes 3 and 4 . The strips 11 'consist of a ceramic felt.

Die Isolier- bzw. Dichtungsmittel sind vorzugsweise Filze aus einem Oxid, z. B. aus Alumini­ umoxid.The insulating or sealing means are preferably felts made of an oxide, e.g. B. from aluminum umoxid.

Sie dienen auch dazu, unterschiedliche thermische Ausdehnungen der Stacks auszugleichen. Sie sind elastisch und dienen zusätzlich noch als Gleitschicht.They also serve to compensate for different thermal expansions of the stacks. They are elastic and also serve as a sliding layer.

Die Kanäle 6 und 7 werden in einer weiteren Ausbildung der Erfindung aus einem porösen Metalloxidschaum, z. B. aus Aluminiunioxid, aufgebaut. Diese Körper werden von Isolier­ schalen 12 und 12' thermisch isoliert und von einer metallischen Hülle, die vorteilhafterweise aus zwei Halbschalen 13 und 13' besteht, zusammengehalten. Dabei sorgen Federn 14 für eine etwa konstante Fügekraft.The channels 6 and 7 are in a further embodiment of the invention from a porous metal oxide foam, for. B. made of aluminum oxide. These bodies are thermally insulated by insulating shells 12 and 12 'and held together by a metallic shell, which advantageously consists of two half shells 13 and 13 '. Springs 14 ensure an approximately constant joining force.

Die Stacks einer Stacksäule (Fig. 2) sind über Kontaktflächen miteinander bereits durch eine Zwischenlage 21 nach dem Stapeln elektrisch leitend verbunden. Die Kontaktkraft wird da­ durch hergestellt, daß jede Stacksäule, welche (wie in Fig. 2 dargestellt) durch eine Kontakt­ platte 15 nach oben abgeschlossen ist, welche an eine für alle Stacksäulen gemeinsame Iso­ lierplatte 16 grenzt. Diese wird unten von elastischen, als Federn wirkenden Puffern 17a bis 17c über Wärmedämmklötze 18a bis 18c nach oben gedrückt. Diese Puffer nehmen auch die Wärmedehnungen auf; jede Stacksäule hat daher ihren eigenen Puffer 17a bis 17c und ihren Wärmedämmklotz 18a bis 18c. Hier beschrieben und in Fig. 2 dargestellt ist nur die Reihe 2. Für die Reihen 2' und 2'' gilt entsprechendes.The stacks of a stacking column ( FIG. 2) are already connected in an electrically conductive manner to one another via contact surfaces by means of an intermediate layer 21 after stacking. The contact force is produced by that each stacking column, which (as shown in Fig. 2) is completed by a contact plate 15 upwards, which borders on a common Iso lierplatte 16 for all stacking columns. This is pressed downwards by elastic buffers 17 a to 17 c acting as springs via thermal insulation blocks 18 a to 18 c. These buffers also absorb thermal expansion; Each stacking column therefore has its own buffer 17 a to 17 c and its thermal insulation block 18 a to 18 c. Only row 2 is described here and shown in FIG. 2 . The same applies to the rows 2 'and 2 ''.

Die Isolierplatte 16 und die Wärmedämmklötze 18 haben Aussparungen für die elektrischen Verbindungen 19 und die Rohrverbindungen 20.The insulating plate 16 and the thermal insulation blocks 18 have cutouts for the electrical connections 19 and the pipe connections 20 .

Claims (11)

1. Raumsparende Zellstapelanordnung aus Festoxidbrennstoffzellen, welche mit ihren planen Flächen, welche zur Stromzuführung und Stromableitung dienen, aneinander gestapelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine solche aus Brennstoffzellen aufgebaute Stacksäule (1a...1n) gegenüber benachbarten Strukturelementen verschieblich ist, wobei Ausgleichselemente (11, 11', 8u, 8v, 8w, 8z) vorgesehen sind, welche eine mechanische Bewegung der Säule erlauben und so angeordnet sind, daß sie die Führungswege (6, 7) des sauerstofftragenden Gases abdichten und die Säule gegen die benachbarten Strukturelemente elektrisch isolieren.1. Space-saving cell stack arrangement made of solid oxide fuel cells, which are stacked together with their flat surfaces, which are used for power supply and current dissipation, characterized in that such a stacked column ( 1 a ... 1 n) made of fuel cells is displaceable relative to adjacent structural elements, wherein Compensating elements ( 11 , 11 ', 8 u, 8 v, 8 w, 8 z) are provided which allow mechanical movement of the column and are arranged so that they seal the guide paths ( 6 , 7 ) of the oxygen-carrying gas and the column electrically isolate it from the neighboring structural elements. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen der Stacks innerhalb einer Säule und gegenüber einer benachbarten Säule lösbar sind.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the connections of the stacks within a column and are detachable from an adjacent column. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Stacks gleiche Abmessungen haben.3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that these stacks have the same dimensions. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen, welche für die Stromübertragung vorgesehen sind, planparallel ausgeführt sind.4. Arrangement according to one of claims 1-3, characterized, that the surfaces that are intended for power transmission are plane-parallel are executed. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatten der Stacksäulen auf einer Seite gegen eine Fläche gedrückt werden und daß die Endplatten auf der anderen Seite der Stacksäule über Isolierklötze gegen elastische Puffer (17a bis 17n) abgestützt und damit beweglich sind. 5. Arrangement according to one of claims 1-4, characterized in that the end plates of the stacking columns are pressed on one side against a surface and that the end plates on the other side of the stacking column are supported by insulating blocks against elastic buffers ( 17 a to 17 n) and are therefore flexible. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stacksäulen zu einem Quader zusammengestellt sind, wobei durch eine zylindrische Hülle zwei Gasräume (6, 7) gebildet sind, durch welche Luft zu- und Abgas abgeführt wird.6. Arrangement according to one of claims 1-5, characterized in that the stacking columns are combined to form a cuboid, two gas spaces ( 6 , 7 ) being formed by a cylindrical shell, through which air supply and exhaust gas are discharged. 7. Anordnung nach nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasräume (6, 7) mit einem gasdurchlässigen Schaum gefüllt sind, der eine Stützfunktion ausübt.7. Arrangement according to one of claims 1-6, characterized in that the gas spaces ( 6 , 7 ) are filled with a gas-permeable foam which has a supporting function. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum aus Al2O3 besteht.8. Arrangement according to one of claims 1-7, characterized in that the foam consists of Al 2 O 3 . 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus zwei Halbschalen (13, 13') besteht.9. Arrangement according to one of claims 1-8, characterized in that the shell consists of two half-shells ( 13 , 13 '). 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten der Hülle über federnde Elemente (14) zusammengedrückt werden.10. Arrangement according to one of claims 1-9, characterized in that the components of the shell are pressed together via resilient elements ( 14 ). 11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichselemente elektrisch und thermisch isolieren, daß eine Stacksäule gegenüber benachbarten Strukturelementen verschieblich ist, wobei die Ausgleichselemente (8u, 8v, 8w, 8z, 11, 11') eine mechanische Bewegung der Säule erlauben und dabei so angeordnet sind, daß sie die Führungwege des sauerstofftragenden Gases abdichten.11. Arrangement according to one of claims 1-10, characterized in that the compensating elements electrically and thermally insulate that a stacking column is displaceable relative to adjacent structural elements, the compensating elements ( 8 u, 8 v, 8 w, 8 z, 11 , 11th ') allow mechanical movement of the column and are arranged so that they seal the guide paths of the oxygen-carrying gas.
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