DE68915463T2 - Anordnung zum Zusammenspannen eines Stapels von Brennstoffzellenelementen. - Google Patents

Anordnung zum Zusammenspannen eines Stapels von Brennstoffzellenelementen.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zum Zusammenspannen eines Stapels von Brennstoffzellelementen, der chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandelt. Eine derartige Anordnung ist in dem Dokument JP-A-61 248 368 vom 5.11.1986 beschrieben.
  • Ein Zellelement einer bekannten Brennstoffzellenanordnung ähnlich jener, die in dem Dokument JP-A-62 256 381 vom 9.11.1987 beschrieben ist, hat im Falle einer beispielsweise in Figur 6 der anliegenden Zeichnungen dargestellten Brennstoffzelle des Schmelzkarbonattyps eine Kathode (Oxidelektrode) 2, eine Anode (Brennstoffelektrode) 3 und eine Platte (Elektrolytplatte) 1, die zwischen diesen Elektroden vorgesehen ist. Die Zellelemente I sind mit dazwischenliegenden Trennplatten 4 aufeinanderfolgend so geschichtet, daß sie einen Stapel S bilden. Oxidationsgas OG wird zur Kathode 2 und Brennstoffgas FG zur Anode 3 geleitet, wodurch Energie erzeugt wird.
  • Die in Figur 6 gezeigte Brennstoffzellenanordnung, die als innenverzweigte Brennstoffzellenanordnung bezeichnet wird, hat eine Vielzahl von Trennplatten 4, wobei jede Platte in ihrem mittleren Bereich beidseitig mit konvexkonkaven Gasdurchführungen versehen ist (in Figur 6 in Wellenform dargestellt). Oxidationsgaskanäle 5 und 6 und Brennstoffgaskanäle 7 und 8 durchlaufen den Brennstoffzellstapel S in der Nähe seines Umfangs. Die Platten aus Schmelzkarbonat dienen als Naßdichtungsmittel. Der Stapel 6 enthält auch mehrere Abdeckplatten 9, die zu Dichtungszwecken zwischen den Trennelementen 4 und den Platten 1 angeordnet sind. Die konvex-konkaven Durchführungen und die vertikalen Brennstoff- und Oxidationsgaskanäle FG und OG sind durch die Abdeckplatten 9 eingeschlossen und miteinander verbunden. Der Stapel S ist an seiner Ober-und an seiner Unterseite mit einer oberen Druckplatte (nicht gezeigt) bzw. einer unteren Druckplatte (nicht gezeigt) versehen, und diese Platten werden zum Beispiel nahe ihrem Umfang durch Federn druckbeaufschlagt, wie das durch die Pfeile 50 angegeben ist.
  • Inzwischen ist bekannt, daß zwischen den Platten 1, der Kathode 2, der Anode 3 und den Trennplatten 4 ein gleichmäßiger Kontakt erforderlich ist und daß die Naßdichtung bestehen bleiben muß, um eine richtige Funktion der Brennstoffzelle sicherzustellen. Es ist offensichtlich, daß bei einer größer bemessenen Brennstoffzelle ein geringerer Druck auf deren zentralen Bereich ausgeübt wird, wenn als Mittel zum Zusammenspannen des Stapels lediglich Federn vorgesehen sind, die nur den Umfang des Stapels mit Druck beaufschlagen. Hier könnten Druckplatten mit größerer Dicke Abhilfe schaffen. Die Verwendung dickerer Druckplatten würde jedoch zu einer nicht wunschgemäßen Konstruktion führen, nämlich zu einer Brennstoffzellenanordnung mit größerer Dicke, wofür man wiederum ein größeres Gehäuse benötigen würde.
  • Eine andere Anordnung zum Zusammenspannen des Brennstoffzellstapels S nach dem Stand der Technik ist in Figur 7 dargestellt. Ein mit einem Herzstück versehener unterer Halter 115 ist über ein Wärmeisoliermaterial 113 auf einer unteren Einspannplatte 111 einer Preßmaschine vorgesehen. Vertikale Stangen 116 erstrecken sich von der unteren Einspannplatte 111 nach oben und stützen eine obere Einspannplatte 110, die die vertikalen Stangen 116 überspannt. Die obere Einspannplatte 110 trägt einen oberen Halter 114 (eine Druckplatte), der mit einem Heizelement, das an der Unterseite eines Wärmeisolators 112 angebracht ist, und mit einem Zylinder 117 zum Bewegen des oberen Halters versehen ist. Der obere Halter 114 wird durch den Zylinder 117 nach unten bewegt und übt Druck auf den Brennstoffzellstapel S zwischen dem oberen Halter 114 und dem unteren Halter 115 aus. Da die Höhe des Brennstoffzellstapels S während der Energieerzeugung abnimmt, bewegt der Zylinder 117 den oberen Halter 114 derart nach unten, daß der Festspanndruck unverändert bleibt. Jedoch muß die Durchbiegung des oberen Halters 114 und des unteren Halters 115 gering sein, damit ein unveränderter Festspanndruck erreicht werden kann. Zu diesem Zweck müssen der obere Halter 114 und der untere Halter 115 sowie die obere Festspannplatte 110 und die untere Festspannplatte 111 dicker sein, weshalb sich diese Anordnung nach dem Stand der Technik für ein kompakt gebautes System nicht eignet. Ähnliche Vorrichtungen sind in der JP-A-58 163 185 vom 27.9.1983 und in der JP-A-58 93 174 vom 2.6.1983 beschrieben.
  • Eine weitere Anordnung zum Festspannen, die mittels eines Faltenbalges mit Pneumatikdruck arbeitet, ist aus der JP- A 62-264570 vom 17.11.1987 bekannt. Diese Anordung muß jedoch mit einem sehr langen Faltenbalg ausgestattet werden, um der abnehmenden Höhe des Brennstoffzellstapels gerecht zu werden. Durch den langen Faltenbalg erhöhen sich die Kosten für die gesamte Anordnung.
  • Ein Objekt der Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Zusammenspannen eines Brennstoffzellstapels dergestalt, daß eine Verringerung des auf den zentralen Bereich des Brennstoffzellstapels wirkenden Drucks verhindert und der Brennstoffzellstapel ohne die Verwendung dicker bemessener Druckplatten mit gleichmäßigem Druck beaufschlagt wird.
  • Ein weiteres Objekt der Erfindung ist die Bereitstellung einer kompakt gebauten, preiswerten Vorrichtung zum Zusammenspannen eines Brennstoffzellstapels, die ohne Verwendung dicker Druckplatten (Einspannplatten) und Halter einen gleichmäßigen Druck auf den Brennstoffzellstapel ausübt und die den Festspanndruck nach Schrumpfen des Brennstoffzellstapels einstellt.
  • Diese Objekte werden durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Zusammenspannen bereitgestellt, die für einen Brennstoffzellstapel mit Brennstoffzellelementen aus Anodenplatten, Platten und Kathodenplatten mit zwischen den Brennstoffzellelementen angeordneten Trennplatten verwendet wird und die eine obere und eine untere Halterplatte zum Halten des Brennstoffzellstapels und eine obere und eine untere Druckplatte zur Druckbeaufschlagung der Halter mit einem Paar dünner Hohlplatten hat, die poröse adiabatische Elemente enthalten, die zwischen den Halterplatten und den Druckplatten angeordnet sind. Die obere und die untere Druckplatte werden durch Federn druckbeaufschlagt. Während die Temperatur des Brennstoffzellstapels ansteigt, dehnt sich jede dünne Hohlplatte zwischen der Halterplatte und der Druckplatte aus und übt einen Druck auf die Halterplatte und die Druckplatte aus, und die Halterplatten werden wiederum in Richtung auf den Brennstoffzellstapel gedrückt und üben dadurch einen gleichmäßigen Druck auf den Brennstoffzellstapel aus.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Festspannen bereitgestellt, die für einen Brennstoffzellstapel, der eine Vielzahl von Brennstoffzellelementen aus Anodenplatten, Platten und Kathodenplatten mit zwischen den Brennstoffzellelementen angeordneten Trennplatten hat, verwendet wird und die eine obere und eine untere Halterplatte zur Aufnahme des Brennstoffzellstapels zwischen sich, einen oberen und einen unteren Wärmeisolator zur Aufnahme des oberen und des unteren Halters und einer oberen und einer unteren Druckplatte (Einspannplatte) einer Federeinrichtung zur Druckbeaufschlagung des oberen und des unteren Wärmeisolators hat, wobei ein oberes und ein unteres dehnbares Element (Metallkissen) zwischen dem oberen Halter und dem oberen Wärmeisolator und ein unteres dehnbares Element (Metallkissen) zwischen dem unteren Halter und dem unteren Wärmeisolator angeordnet sind. Bei dieser Anordnung wird die Druckkraft der Federeinrichtung über die Druckplatten (Einspannplatten), den Wärmeisolator, die dehnbaren Elemente (Metallkissen) und die Halter auf den Brennstoffzellstapel übertragen. Während der Druckübertragung dienen diese dehnbaren Elemente (Kissen) als Druckeinstellmittel, das heißt, während die dehnbaren Elemente (Kissen) mit Druck beaufschlagt werden, beaufschlagen deren Reaktionskräfte den Brennstoffzellstapel über die Halter mit einem gleichmäßigen Druck. Auch kann die Federeinrichtung die Änderung des Festspanndrucks beim Schrumpfen des Brennstoffzellstapels während der Energieerzeugung ausgleichen.
  • Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
  • Figur 1 eine Seitenansicht einer Anordnung zum Zusammenspannen des Brennstoffzellstapels gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • Figur 2 eine Schnittansicht einer Hohlplatte von Figur 1;
  • Figur 3 eine Darstellung der Druckbeaufschlagung des Brennstoffzellstapels, während dessen Temperatur ansteigt;
  • Figur 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Anordnung zum Zusammenspannen eines Brennstoffzellstapels gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • Figur 5 eine Schnittansicht eines dehnbaren Elements (Kissens) von Figur 4;
  • Figur 6 eine Teilschnittansicht des Brennstoffzellstapels;
  • Figur 7 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Zusammenspannen des Brennstoffzellstapels nach dem Stand der Technik.
  • Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Brennstoffzellstapel S ist, wie vorstehend anhand von Figur 6 erläutert, aus einer Vielzahl von Brennstoffzellelementen gebildet, wobei jedes Zellelement eine Kathodenplatte, eine Anodenplatte und eine zwischen diesen Platten aufgenommene Platte umfaßt und wobei die Platten mit zwischen den Zellelementen angeordneten Trennplatten nacheinander gestapelt sind. Wie in Figur 1 gezeigt, ist der Stapel S zwischen einem oberen Halter 10 und einem unteren Halter 11 angeordnet, die wiederum zwischen einer oberen Hohlplatte 16 und einer unteren Hohlplatte 16 und einer oberen Druckplatte 12 und einer unteren Druckplatte 13 aufgenommen sind. Die obere Druckplatte 12 und die untere Druckplatte 13 sind durch Stangen 14 an ihrem Umfang miteinander verbunden. Eine Feder 15 ist zwischen dem Kopf 20 jeder Stange 14 und der oberen Halterplatte 12 vorgesehen, um den Brennstoffzellstapel S über den oberen Halter 10 und den unteren Halter 11 und die obere Hohlplatte 16 und die untere Hohlplatte 16 mit Druck zu beaufschlagen. Wie in Figur 2 dargestellt ist, umfaßt die Hohlplatte 16 einen abgedichteten Hohlkörper aus zwei scheibenförmigen dünnen Platten 17a und 17b mit z.B. Nahtschweißung und ein darin vorgesehenes poröses Material 18. Auf diese Weise schließt die Hohlplatte 16 Luft ein.
  • Während die Brennstoffzelle mit der Energieerzeugung beginnt, steigt die Temperatur des Stapels an und erreicht etwa 650ºC (1202ºF). Aufgrund dieses Temperaturanstieges steigt auch der Innendruck P der Hohlplatte 16. Dann wird, wie in Figur 3 gezeigt, die obere dünne Platte 17a zwischen dem oberen Halter 10 und der oberen Druckplatte 12 nach oben gebogen, und die untere dünne Platte 17b zwischen dem unteren Halter 11 und der unteren Druckplatte 13 wird nach unten gebogen. Während die dünne obere Druckplatte 12 und die dünne untere Druckplatte 13 nach außen gebogen werden, wie auch die dünne Platte 17a der oberen Hohlplatte und die untere dünne Platte 17b der unteren Hohlplatte, werden die Halter 10 und 11 so an den Stapel S gedrückt, daß der geeignete Festspanndruck auf den zentralen Bereich des Stapels S ausgeübt wird. Dadurch wird der Stapel S ohne Verwendung dickerer Druckplatten mit gleichmäßigem Druck zusammengespannt, so daß wiederum eine kompakte Brennstoffzellanordnung gebildet werden kann.
  • Obwohl in der vorstehenden Ausführungsform zwei runde Platten zur Bildung eines Hohlkörpers der Hohlplatte 16 verwendet werden, können stattdessen auch quadratische Platten gewählt werden.
  • In Figur 4, in der eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, ist der Brennstoffzellstapel S zwischen einem oberen Halter 114 und einem unteren Halter 115, die mit einem Heizelement versehen sind, einem oberen und einem unteren dehnbaren Element (Kissen) 118, 118, einem oberen und einem unteren Wärmeisolator 112, 113 und einer oberen und einer unteren Druckplatte (Einspannplatte) 110, 111 einer Federeinrichtung aufgenommen. Das dehnbare Element (Kissen) 118 besteht aus einem Hohlkörper und einem Füllstoff, der den Hohlkörper aufbläht, wie das in Figur 5 gezeigt ist. Der Hohlkörper enthält zwei metallische Platten 120 und 121, die an ihrem Umfang miteinander verschweißt sind, und der Füllstoff kann ein Gas, beispielsweise Luft, oder eine Flüssigkeit, beispielsweise Öl, oder eine Kombination von beiden sein. Die obere und die untere Druckplatte (Einspannplatte) 110, 111 sind durch die mit Kompressionsfedern versehenen Druckelemente 119 in Richtung auf den Brennstoffzellstapel S vorgespannt. Die Vorspannkraft der Druckelemente 119 wird über die Druckplatten (Einspannplatten) 110 und 111, die Wärmeisolatoren 112 und 113, die dehnbaren Elemente (Kissen) 118 und 118 und die Halter 114 und 115 auf den Stapel S übertragen. Da die Druckkraft in diesem Fall auf die dehnbaren Elemente (Metallkissen) 118 ausgeübt wird, wirkt eine Reaktionskraft derselben derart gegen die den Brennstoffzellstapel S zwischen sich aufnehmenden Halter 114 und 115, daß ein gleichmäßiger Druck auf die Oberseite und Unterseite des Stapels S ausgeübt wird, und zwar auf die Kathodenplatten, die Platten, die Anodenplatten und die Trennplatten. Auch wenn der Brennstoffzellstapel S während der Energieerzeugung schrumpft, wird ein gleichmäßiger Druck auf den Stapel S beibehalten, da der Abstand zwischen der oberen und der unteren Druckplatte (Einspannplatte) 110 und 111 durch die Kompressionsfedern der Druckelemente 119 automatisch verringert wird.
  • Wie vorstehend erläutert, erfolgt die gleichmäßige Druckausübung auf den Brennstoffzellstapel aufgrund der dehnbaren Elemente (Kissen) 118, und die Mitführung relativ zur Schrumpfung des Stapels S wird durch die Druckelemente 119 sichergestellt. Deshalb kann eine preiswerte, kompakte Anordnung zum Festspannen bereitgestellt werden, ohne die Verwendung dickerer Druckplatten (Einspannplatten) oder langer Faltenbalgen, wie diese bei den Anordnungen nach dem Stand der Technik verwendet werden.
  • In dieser speziellen Ausführungsform sind die dehnbaren Elemente (Kissen) zwischen den Haltern und den Wärmeisolatoren angeordnet. Darüber hinaus können die Druckelemente die Zylinder von Figur 7 enthalten.

Claims (9)

1. Anordnung zum Zusammenspannen eines Stapels (S) von Brennstoffzellelementen (I), wobei jedes Zellelement (I) eine Kathode (2), eine Anode (3) and eine Platte (1), die zwischen der Kathode (2) und der Anode (3) auf genommen ist, aufweist, und die Zellelemente (I) hintereinander gestapelt sind, wobei Trennelemente (4) zwischen ihnen angeordnet sind, umfassend: einen oberen und einer unteren Halter (10, 11; 114, 115), die den Brennstoffzellstapel (S) zwischen sich aufnehmen; eine obere und eine untere Druckplatte (12, 13; 110, 111), die die oberen und die unteren Halter (10, 11; 114, 115) zwischen sich aufnehmen; und Federmittel (14, 15; 119) zum Zusammenpressen der oberen und unteren Druckplatten (12, 13; 110, 111), der oberen und unteren Halter (10, 11; 114, 115) und des Brennstoffzellstapels (S), dadurch gekennzeichnet, daß die Federmittel (14, 15; 119) außerhalb der Halter (10, 11; 114, 115) und des Brennstoffzellstapels (S) angeordnet sind, und daß die Anordnung außerdem zwei ausdehnbare Elemente (16; 118) zur Einstellung des auf den Brennstoffzellstapel (S) wirkenden Drucks umfaßt, wobei eines der ausdehnbaren Elemente (16; 118) zwischen dem oberen Halter (10: 114) und der oberen Druckplatte (12; 110), und das andere Element (16; 118) zwischen dem unteren Halter (11; 115) und der unteren Druckplatte (13; 111) angeordnet ist, so daß sich jedes der ausdehnbaren Elemente (16, 118) mit ansteigender Temperatur des Brennstoffzellstapels (S) ausdehnt und auf die oberen und unteren Halter (10, 11; 114, 115) sowie auf den Brennstoffzellstapel (S) einen gleichmäßigen Druck ausübt, wobei jedes der ausdehnbaren Elemente ein Hohlkörper ist, dessen Innendruck mit ansteigender Temperatur automatisch zunimmt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes ausdehnbare Element (16) einen porösen Wärmeisolator (18) beinhaltet.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes ausdehnbare Element (16) eine dünne hohle scheibenförmige Platte (17a, 17b) umfaßt.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte (12, 13) eine den dünnen, hohlen Platten (17a, 17b) analoge Konfiguration aufweist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federmittel (14, 15, 119) Stangen (14), die sich zwischen den unteren und den oberen Druckplatten (12, 13; 110, 111) erstrecken, und Federn (15) umfassen, die auf den Stangen (14) so angebracht sind, daß sie die obere Druckplatte (12; 110) in Richtung auf die untere Druckplatte (13; 111) vorspannen.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein oberer Wärmeisolator (112) zwischen der oberen Druckplatte (110) und dem oberen ausdehnbaren Element (118) befindet, und daß sich ein unterer Wärmeisolator (113) zwischen der unteren Druckplatte (111) und dem unteren ausdehnbaren Element (118) befindet.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes ausdehnbare Element (118) einen im Schweißverfahren aus zwei dünnen Metallplatten (120, 121) hergestellten Hohlkörper umfaßt, in dem ein Füllgas enthalten ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (120, 121) außerdem eine Flüssigkeit enthält.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfedern (119) den Abstand zwischen der unteren und der oberen Druckplatte (110, 111) einstellen, wenn der Brennstoffzellstapel (S) seine Höhe verändert.
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