WO2002097908A2 - Interconnector for a fuel cell - Google Patents

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WO2002097908A2
WO2002097908A2 PCT/DE2002/001686 DE0201686W WO02097908A2 WO 2002097908 A2 WO2002097908 A2 WO 2002097908A2 DE 0201686 W DE0201686 W DE 0201686W WO 02097908 A2 WO02097908 A2 WO 02097908A2
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Jürgen Schüle
Helmut Ringel
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an interconnector for a fuel cell, in particular for a high-temperature fuel cell.
  • High-temperature fuel cells typically work with hydrogen as fuel and air as oxidant, with the hydrogen being reformed externally or internally from methane.
  • Air and fuel gas are electrochemically burned in a fuel cell to generate electrical energy. In a high-temperature fuel cell, this combustion takes place in the range between 700 and 1000 ° C. It is particularly important that the fuel cell is well defined and evenly supplied with air or fuel gas, so that despite the exothermic and, when using CH 4 , endothermic processes that take place at the Run off fuel cell, a temperature distribution as uniform as possible is given over the entire fuel cell. As a result, a maximum electrical power is delivered for a specific desired operating temperature and the material stress on the stacked materials is minimized.
  • the fuel cells are first integrated and sealed in a frame-like interconnector.
  • This represents the basic element for the SOFC stack.
  • the overall stack is created by stacking the basic elements. With this stacking, the gas supply and disposal rooms are formed by corresponding cutouts in the fuel cell frame.
  • the electrical potential is present at the interconnectors, which in turn must be electrically isolated from one another. In this construction, leaks are regularly reduced, since flat seals of the same type can advantageously be used.
  • a high-temperature fuel cell is operated in the so-called cross-flow of air and fuel gas.
  • the air or the fuel gas enters a distribution space on one side of the cell, flows through the cathode or anode space of the cell and is collected and discharged again in a gas collection space on the other side of the cell. This is sufficient for small cells
  • the object of the invention is to provide an interconnector for a fuel cell with which an improved uniform parallel flow distribution of the individual gases can be generated and which at the same time enables a very compact structure of the fuel cell. Furthermore, it is an object of the invention to provide an effective fuel cell stack which enables a compact structure. Another object of the invention is to provide a method for operating such a fuel cell stack. The object is achieved by an interconnector for a fuel cell with the entirety of the features according to main claim, a fuel cell stack according to secondary claim 5, and by a method according to secondary claim 10. Advantageous configurations result from the claims which refer back to them.
  • the interconnector according to the invention for a high-temperature fuel cell has two cutouts on the top and two cutouts on the bottom. These recesses result in closed rooms when covering, for example with a metal sheet. When used in a fuel cell, they then form gas distribution rooms or gas collection rooms.
  • parallel channels are arranged on the top and bottom sides, which connect the cutouts on one side of the interconnector.
  • the interconnector has bores that run almost vertically from the top of the interconnector to the bottom. Each of these holes ends in a recess. According to the invention, two bores open into at least one recess.
  • Bores in the sense of the invention are only to be understood as bores that are provided for the gas feedthrough. This should not be understood to mean openings that are only required for the assembly of a fuel cell stack.
  • interconnectors For the operation of a fuel cell, several interconnectors are stacked one above the other, which are separated by thin sheets and electrode-electrolyte units.
  • the bores are arranged in such a way that when the interconnectors are stacked on top of one another, they find a correspondence in an interconnector arranged above or below.
  • the cutouts are advantageously arranged such that a cutout to form a gas distribution space on one side of the interconnector corresponds to a cutout to form a gas collection space on the other side. In this way, identical interconnectors can advantageously be used to construct a fuel cell stack.
  • the aim of the arrangement of bores within the interconnector is to provide a fuel cell by stacking several interconnectors and membrane electrode units on top of one another, in which an improved flow of the gases used is achieved. Since the flow is preferably to be carried out in parallel, that is to say in countercurrent, only two sides of the fuel cell stack remain for the supply and discharge of the fuel gas and the supply and discharge of the oxidizing agent.
  • the interconnector according to the invention provides at least two bores for a gas distribution space. These are advantageously arranged in the flow direction of the gas on the right and left in the gas distribution space. This arrangement has the effect that the gas in the gas distribution space is advantageously distributed, and so similar conditions at the beginning of each parallel
  • the bores of the interconnectors are sensibly arranged in such a way that the gas supply of both gases, both the fuel gas and the oxidizing gas, is ensured when the interconnectors are assembled (stacked one on top of the other).
  • Mirror-image arrangements for the structures on the top and bottom of an interconnector are therefore particularly advantageous.
  • the oxidizing gas has a much larger volume flow than the fuel gas, the corresponding diameter of the holes for the individual types of gas can be adapted to it.
  • FIG. 1 shows an interconnector 1 of a fuel cell stack for countercurrent guidance, as is known from the Japanese company Tokio-Gas.
  • Air collection space 3 0 collected again and discharged via an air discharge opening 5. It is thereby achieved that the flow lines in the entire flow space are approximately of the same length and thus a uniform flow distribution is to be established. However, since the inflow or outflow from the cathode compartment of the cell are essentially different flow processes (diffusion, nozzle) there are significant flow differences in the individual air channels in the cathode compartment. The same applies to the anode side.
  • FIG. 2 shows the problem solution according to the invention for an interconnector of a fuel cell with a parallel flow of air and fuel gas.
  • a uniform flow in the individual air channels (or fuel gas channels) 8 0 , 8 U is achieved in that the air is introduced into a gas distribution space 2 0 , 2 U through two bores 4, 4a, 6, 6a and in the gas collection space 3 opposite 0 , 3 U is discharged again through a central bore 5, 7.
  • the two inlet openings 4, 4a and 6, 6a are arranged on the right and left, as seen in the direction of flow, of the inlet space 2 a , 2 U , whereas the outlet opening 5, 7 in the gas collection space 3 0 , 3 U is arranged in the center.
  • a symmetrical flow formation is given. This is a particular problem when designing the internal gas supply and disposal for countercurrent air and fuel gas at the cells. With the positioning of the inlet and outlet openings (bores), the air can be distributed as evenly as possible over the individual air ducts. A similar but opposite flow guidance is provided for the fuel gas. On the other side of the interconnector, a recess for a gas collection space is opposite a recess for a gas distribution space, as indicated by the dashed lines.
  • the distributor lines for the supply and discharge of the fuel and the oxidation gas can thus advantageously be arranged in a simple manner on two sides of the fuel cell stack.
  • a corresponding version is also appropriate for cross-current flow when using large cells.
  • the air volume is usually flow is a multiple of the fuel gas volume flow. This fact can be taken into account by appropriately designing the distribution and collection spaces for the air or the fuel gas and by the size of the respective inlet and outlet openings.
  • FIG. 3 shows a two-line fuel cell stack for a parallel flow, which is constructed from bottom to top as follows. On a lower end plate, a frame-shaped sheet is arranged, in which an electrode-electrolyte unit is located.
  • the interconnector according to the invention is arranged above this.
  • the conclusion is again a frame-shaped sheet with another electrode-electrolyte unit and an upper end plate.
  • the end plates are constructed similarly to the interconnector according to the invention, but have the cutouts and channels only on the side facing the stack. This arrangement results in a two-line fuel cell stack.
  • the arrows mark the different paths of the fuel and the oxidizing gas through this fuel cell stack.

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Abstract

The invention relates to an interconnector for a high-temperature fuel cell stack, wherein said interconnector is advantageously provided with at least two gas inlets (4, 4a) in a gas distribution chamber (2o) and a gas outlet (5) in a gas collecting chamber (3o). Parallel channels (8o) are arranged between them. A particularly homogenous flow in the individual, parallel channels can be achieved by means of said flow guidance in the inlet and outlet due to the fact that turbulences and jet effect are avoided in the gas distribution chamber and in the gas collecting chamber. A compact fuel cell intended for parallel flow can be built by stacking several interconnectors on top of each other, thereby providing improved flow guidance of gases and higher efficiency in comparison with prior art.

Description

B e s c h r e i b u n g Description
Interkonnektor für eine BrennstoffzelleInterconnector for a fuel cell
Die Erfindung betrifft einen Interkonnektor für eine Brennstoffzelle, insbesondere für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle.The invention relates to an interconnector for a fuel cell, in particular for a high-temperature fuel cell.
Stand der TechnikState of the art
Von einer Reihe möglicher Brennstoffzellen-Typen, haben sich im wesentlichen fünf durchgesetzt. Das sind, nach ihrer Betriebstemperatur geordnet, die alkalische Brennstoffzelle (AFC, ca. 80°C) , die Membran-Brennstoffzelle (PEMFC, ca. 80°C) , die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC, ca. 200°C) , die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC, ca. 650°C) und die oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC, ca. 1.000°C). Daneben wird oft eine weitere, die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) , genannt, welche als eine Variante der Membran-Brennstoffzelle angesehen werden kann.Essentially five of a number of possible fuel cell types have prevailed. In order of their operating temperature, these are the alkaline fuel cell (AFC, approx. 80 ° C), the membrane fuel cell (PEMFC, approx. 80 ° C), the phosphoric acid fuel cell (PAFC, approx. 200 ° C), the molten carbonate -Fuel cell (MCFC, approx. 650 ° C) and the oxide ceramic fuel cell (SOFC, approx. 1,000 ° C). In addition, another is often mentioned, the direct methanol fuel cell (DMFC), which can be regarded as a variant of the membrane fuel cell.
Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) arbeiten typischerweise mit Wasserstoff als Brennstoff und Luft als Oxidati- onsmittel, wobei der Wasserstoff extern oder intern aus Methan reformiert wird. In einer Brennstoffzelle wird Luft und Brenngas elektrochemisch verbrannt, um elektrische Energie zu gewinnen. Bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle erfolgt diese Verbrennung im Bereich zwischen 700 und 1000°C. Dabei ist es von besonderer Bedeutung, dass die Brennstoffzelle wohl definiert und gleichmäßig mit Luft bzw. Brenngas versorgt wird, damit trotz den exothermen und beim Einsatz von CH4 auch endothermen Prozessen, die an der Brennstoffzelle ablaufen, eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Brennstoffzelle gegeben ist. Hierdurch wird für eine bestimmte gewünschte Betriebstemperatur eine maximale elektrische Leistung abgegeben und die Werkstoffbeanspruchung der Stapelmaterialien minimiert.High-temperature fuel cells (SOFC) typically work with hydrogen as fuel and air as oxidant, with the hydrogen being reformed externally or internally from methane. Air and fuel gas are electrochemically burned in a fuel cell to generate electrical energy. In a high-temperature fuel cell, this combustion takes place in the range between 700 and 1000 ° C. It is particularly important that the fuel cell is well defined and evenly supplied with air or fuel gas, so that despite the exothermic and, when using CH 4 , endothermic processes that take place at the Run off fuel cell, a temperature distribution as uniform as possible is given over the entire fuel cell. As a result, a maximum electrical power is delivered for a specific desired operating temperature and the material stress on the stacked materials is minimized.
Bei einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle werden beispielsweise beim internen Manifold im Falle des Anodensubstrates zunächst die Brennstoffzellen in einen rahmenartigen Interkonnektor eingegliedert und abgedichtet. Dies stellt dann das Grundelement für den SOFC Stapel dar. Durch Stapelung der Grundelemente entsteht der Gesamtstapel . Bei dieser Stapelung bilden sich durch entsprechende Aussparungen im Brennstoffzellenrahmen die Gasver- und Entsorgungsräume . Das elektrische Potential liegt an den Interkonnektoren an, die wiederum elektrisch voneinander isoliert sein müssen. Bei dieser Konstruktion werden regelmäßig Undichtigkeiten verringert, da vorteilhaft gleichartige Flachdichtungen eingesetzt werden können.In the case of a high-temperature fuel cell, for example in the case of the internal manifold in the case of the anode substrate, the fuel cells are first integrated and sealed in a frame-like interconnector. This then represents the basic element for the SOFC stack. The overall stack is created by stacking the basic elements. With this stacking, the gas supply and disposal rooms are formed by corresponding cutouts in the fuel cell frame. The electrical potential is present at the interconnectors, which in turn must be electrically isolated from one another. In this construction, leaks are regularly reduced, since flat seals of the same type can advantageously be used.
Im einfachsten Falle wird eine Hochtemperatur-Brennstoff- zelle im sogenannten Kreuzstrom von Luft und Brenngas betrieben. Die Luft bzw. das Brenngas tritt auf der einen Seite der Zelle in einen Verteilungsraum ein, durchströmt den Kathoden- bzw. Anodenraum der Zelle und wird auf der anderen Seite der Zelle wieder in einem Gassammeiraum gesammelt und abgeführt . Für kleine Zellen ist dies eine ausreichendeIn the simplest case, a high-temperature fuel cell is operated in the so-called cross-flow of air and fuel gas. The air or the fuel gas enters a distribution space on one side of the cell, flows through the cathode or anode space of the cell and is collected and discharged again in a gas collection space on the other side of the cell. This is sufficient for small cells
Strömungsführung. Bei größeren Zellgeometrien von über 10 x 10 cm2 ergeben sich jedoch Probleme bei der gleichmäßigen Durchströmung bzw. Temperaturverteilung.Flow guidance. With larger cell geometries of more than 10 x 10 cm 2 , however, problems arise with the uniform flow or temperature distribution.
Bei großen Zellen ist daher für eine optimierte Strömungs- führung von Luft und Brenngas der sogenannte Parallelstrom, im allgemeinen der Gegenstrom, von Luft und Brenngas er- wünscht. Hierbei werden die beiden Reaktionsgase anstatt an vier unterschiedlichen Seiten des Stapels nur an zwei gegenüberliegenden Seiten zu- bzw. abgeführt. Dies erfordert jedoch aufgrund des geringeren Platzangebotes (zwei Seiten, anstelle von vier Seiten) regelmäßig eine kompaktere, und damit teilweise kompliziertere Gaszuführung.In the case of large cells, the so-called parallel flow, generally the counterflow, of air and fuel gas is therefore required for an optimized flow of air and fuel gas. wishes. In this case, the two reaction gases are supplied or discharged only on two opposite sides instead of on four different sides of the stack. However, due to the limited space available (two sides instead of four sides), this regularly requires a more compact, and thus sometimes more complicated gas supply.
Aus Hishinuma, M. u.a. "Development of a 1 kW-Class Planar Type SOFC at Tokyo Gas", First European Solid Oxide Fuel Cell Forum, Luzern, Vol. 11 (1994), 953-60 ist ein Interkon- nektor bekannt, bei dem das Brenngas in einen trapezförmigen Gasverteilerraum eingelassen wird, den Kathodenraum durchströmt, durch parallele Kanäle geführt und diagonal gegenüber in einem ebenfalls trapezförmigen Gassammeiraum gesammelt und abgeführt wird. Hierbei wird erreicht, daß die Strömungslinien im gesamten Strömungsraum etwa gleich lang sind und sich somit eine gleichmäßige Strömung einstellen soll. Nachteilig treten jedoch bei diesem Interkonnektor regelmäßig deutliche Strömungsunterschiede in den einzelnen Gaskanälen des Anoden- und des Kathodenraumes auf .From Hishinuma, M. et al. "Development of a 1 kW-Class Planar Type SOFC at Tokyo Gas", First European Solid Oxide Fuel Cell Forum, Lucerne, Vol. 11 (1994), 953-60, an interconnector is known in which the fuel gas is trapezoidal Gas distribution space is let in, flows through the cathode space, is guided through parallel channels and is collected and discharged diagonally opposite in a trapezoidal gas collection space. What is achieved here is that the flow lines in the entire flow space are approximately of the same length and thus a uniform flow should occur. However, this interconnector has the disadvantage that significant flow differences occur regularly in the individual gas channels of the anode and cathode compartments.
Aufgabe und LösungTask and solution
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Interkonnektor für eine Brennstoffzelle zu schaffen, mit dem eine verbesserte gleichförmige parallele Strömungsverteilung der einzelnen Gase erzeugt werden kann und die gleichzeitig einen sehr kompakten Aufbau der Brennstoffzelle ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung einen effektiven Brennstoffzel- lenstapel zu schaffen, der einen kompakten Aufbau ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellenstapels zu schaffen. Die Aufgabe wird gelöst durch einen Interkonnektor für eine Brennstoffzelle mit der Gesamtheit der Merkmale gemäß Hauptanspruch, einen Brennstoffzellenstapel gemäß Nebenanspruch 5, sowie durch eine Verfahren gemäß Nebenanspruch 10. Vor- teilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen.The object of the invention is to provide an interconnector for a fuel cell with which an improved uniform parallel flow distribution of the individual gases can be generated and which at the same time enables a very compact structure of the fuel cell. Furthermore, it is an object of the invention to provide an effective fuel cell stack which enables a compact structure. Another object of the invention is to provide a method for operating such a fuel cell stack. The object is achieved by an interconnector for a fuel cell with the entirety of the features according to main claim, a fuel cell stack according to secondary claim 5, and by a method according to secondary claim 10. Advantageous configurations result from the claims which refer back to them.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der erfindungsgemäße Interkonnektor für eine Hochtemperatur- Brennstoffzelle weist zwei Aussparungen auf der Oberseite und zwei Aussparungen auf der Unterseite auf. Diese Aussparungen ergeben beim Abdecken, beispielsweise mit einem Blech, abgeschlossener Räume. Im Einsatz in einer Brennstoffzelle bilden sie dann Gasverteilerräume oder Gassammeiräume .The interconnector according to the invention for a high-temperature fuel cell has two cutouts on the top and two cutouts on the bottom. These recesses result in closed rooms when covering, for example with a metal sheet. When used in a fuel cell, they then form gas distribution rooms or gas collection rooms.
Zwischen den Aussparungen sind jeweils auf der Ober- und der Unterseite 'parallele Kanäle angeordnet, die die Aussparungen jeweils auf einer Seite des Interkonnektors verbinden.Between the cutouts, parallel channels are arranged on the top and bottom sides, which connect the cutouts on one side of the interconnector.
Weiterhin weist der Interkonnektor Bohrungen auf, die nahezu senkrecht von der Oberseite des Interkonnektors zur Unter- seite verlaufen. Jede dieser Bohrungen mündet in einer Aussparung. Erfindungsgemäß münden in wenigstens eine Aussparung zwei Bohrungen.Furthermore, the interconnector has bores that run almost vertically from the top of the interconnector to the bottom. Each of these holes ends in a recess. According to the invention, two bores open into at least one recess.
Unter Bohrungen im Sinne der Erfindung sind nur solche Bohrungen zu verstehen, die für die Gasdurchführung vorgesehen sind. Darunter sollen keine Öffnungen verstanden werden, die lediglich für den Zusammenbau eines BrennstoffZellenstapels benötigt werden.Bores in the sense of the invention are only to be understood as bores that are provided for the gas feedthrough. This should not be understood to mean openings that are only required for the assembly of a fuel cell stack.
Für den Betrieb einer Brennstoffzelle werden mehrere Inter- konnektoren übereinander gestapelt, die durch dünne Bleche und Elektroden-Elektrolyt-Einheiten getrennt werden. Dabei ergeben sich dann die entsprechenden Gasverteiler- und die Gassammeiräume. Die Bohrungen sind derart angeordnet, daß sie beim Übereinanderstapeln der Interkonnektoren eine Entsprechung in einem darüber bzw. einem darunter angeordneten Interkonnektor finden. Weiterhin sind die Aussparungen vor- teilhaft so angeordnet, daß einer Aussparung zur Ausbildung eines Gasverteilerraumes auf einer Seite der Interkonnektors, eine Aussparung zur Ausbildung eines Gassammelräumes auf der anderen Seite entspricht . Auf diese Weise können vorteilhaft identische Interkonnektoren zum Aufbau eines Brennstoffzellenstapels verwendet werden.For the operation of a fuel cell, several interconnectors are stacked one above the other, which are separated by thin sheets and electrode-electrolyte units. The corresponding gas distributor and the result Gassammeiräume. The bores are arranged in such a way that when the interconnectors are stacked on top of one another, they find a correspondence in an interconnector arranged above or below. Furthermore, the cutouts are advantageously arranged such that a cutout to form a gas distribution space on one side of the interconnector corresponds to a cutout to form a gas collection space on the other side. In this way, identical interconnectors can advantageously be used to construct a fuel cell stack.
Ziel der Anordnung von Bohrungen innerhalb des Interkonnektors ist es, durch Übereinanderstapeln von mehreren Interkonnektoren und Membran-Elektroden-Einheiten eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, bei der eine verbesser- te Strömungsführung der eingesetzten Gase erzielt wird. Da die Strömungsführung vorzugsweise parallel, also im Gegenstrom, durchgeführt werden soll, bleiben nur zwei Seiten des Brennstoffzellenstapels für die Zu- und Abführung des Brenngases und die Zu- und Abführung des Oxidationsmittels .The aim of the arrangement of bores within the interconnector is to provide a fuel cell by stacking several interconnectors and membrane electrode units on top of one another, in which an improved flow of the gases used is achieved. Since the flow is preferably to be carried out in parallel, that is to say in countercurrent, only two sides of the fuel cell stack remain for the supply and discharge of the fuel gas and the supply and discharge of the oxidizing agent.
Der erfindungsgemäße Interkonnektor sieht für einen Gasverteilerraum wenigstens zwei Bohrungen vor. Vorteilhaft sind diese in Strömungsrichtung des Gases rechts und links im Gasverteilerraum angeordnet. Diese Anordnung bewirkt, daß das Gas im Gasverteilerraum vorteilhaft verteilt wird, und so ähnliche Bedingungen am Anfang eines jeden parallelenThe interconnector according to the invention provides at least two bores for a gas distribution space. These are advantageously arranged in the flow direction of the gas on the right and left in the gas distribution space. This arrangement has the effect that the gas in the gas distribution space is advantageously distributed, and so similar conditions at the beginning of each parallel
Kanals für die Gasweiterleitung in den Gassammeiraum vorliegen. Dieser Vorteil tritt insbesondere bei etwas größeren Interkonnektoren auf, da die gesamte Breite der parallelen Kanäle über zwei Bohrungen mit Gas versorgt werden, und so eine strömungstechnisch nahezu homogene Verteilung über die Breite erzeugen. Daher kann durch den erfindungsgemäßen Interkonnektor bei einem geringen Gesamtdruckverlust eine nahezu homogene Gasverteilung über die einzelnen parallelen Kanäle erzielt werden.Channel for the gas transmission into the gas collection room. This advantage occurs in particular in the case of somewhat larger interconnectors, since the entire width of the parallel channels are supplied with gas via two bores, and thus produce a virtually homogeneous distribution over the width in terms of flow. Therefore, with the interconnector according to the invention, a low total pressure drop can result in a almost homogeneous gas distribution over the individual parallel channels can be achieved.
Sinnvoll werden die Bohrungen der Interkonnektoren derart angeordnet, dass beim Zusammenbau (Übereinanderstapeln) der Interkonnektoren, die Gasversorgung beider Gase, sowohl des Brenngases, als auch des Oxidationsgases, sichergestellt wird. Spiegelbildliche Anordnungen für die Strukturen auf der Oberseite und der Unterseite eines Interkonnektors sind daher besonders vorteilhaft.The bores of the interconnectors are sensibly arranged in such a way that the gas supply of both gases, both the fuel gas and the oxidizing gas, is ensured when the interconnectors are assembled (stacked one on top of the other). Mirror-image arrangements for the structures on the top and bottom of an interconnector are therefore particularly advantageous.
Sofern das Oxidationsgas einen sehr viel größeren Volumenstrom als das Brenngas aufweist, können die entsprechenden Durchmesser der Bohrungen für die einzelnen Gassorten daran angepaßt werden.If the oxidizing gas has a much larger volume flow than the fuel gas, the corresponding diameter of the holes for the individual types of gas can be adapted to it.
Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels sowie einiger Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren 2 bis 3 verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung.The invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment and a few drawings. Figures 2 to 3 show different embodiments of the invention.
Die Figur 1 zeigt einen Interkonnektor 1 eines Brennstoff- zellenstapels für eine Gegenstromführung, wie sie von der japanischen Firma Tokio-Gas bekannt ist. In diesem Fall wird z. B. die Luft über eine Öffnung 4 in einer Ecke eines trapezförmigen Luftverteilerraumes 20 eingeleitet, verteilt, durchströmt anschließend einzelne parallel verlaufende Kanä- le 80 und wird diagonal gegenüber in einem entsprechendenFIG. 1 shows an interconnector 1 of a fuel cell stack for countercurrent guidance, as is known from the Japanese company Tokio-Gas. In this case, e.g. B. the air introduced through an opening 4 in a corner of a trapezoidal air distribution space 2 0 , distributed, then flows through individual parallel channels 8 0 and is diagonally opposite in a corresponding
Luftsammelraum 30 wieder gesammelt und über eine Luftabführungsöffnung 5 abgeführt. Hierdurch wird erreicht, dass die Strömungslinien im gesamten Strömungsraum in etwa gleich lang sind und sich somit eine gleichmäßige Strömungsvertei- lung einstellen soll. Da es sich jedoch bei der Einströmung bzw. Ausströmung aus dem Kathodenraum der Zelle um wesentlich unterschiedliche Strö ungsVorgänge (Diffusion, Düse) handelt, treten deutliche Strömungsunterschiede in den einzelnen Luftkanälen des Kathodenraumes auf . Entsprechendes gilt für die Anodenseite.Air collection space 3 0 collected again and discharged via an air discharge opening 5. It is thereby achieved that the flow lines in the entire flow space are approximately of the same length and thus a uniform flow distribution is to be established. However, since the inflow or outflow from the cathode compartment of the cell are essentially different flow processes (diffusion, nozzle) there are significant flow differences in the individual air channels in the cathode compartment. The same applies to the anode side.
Die Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Problemlösung für einen Interkonnektor einer Brennstoffzelle mit Parallelstrom von Luft und Brenngas . Eine gleichmäßige Strömungsführung in den einzelnen Luftkanälen (bzw. Brenngaskanälen) 80, 8U wird dadurch erreicht, dass die Luft in einen Gasverteilerraum 20, 2U durch zwei Bohrungen 4, 4a, 6, 6a eingeleitet wird und im gegenüber liegenden Gassammeiraum 30, 3U über eine mittlere Bohrung 5, 7 wieder abgeführt wird. Die beiden Eintrittsöffnungen 4, 4a bzw. 6, 6a sind dabei rechts und links, in Strömungsrichtung gesehen, des Eintrittsraumes 2a, 2U angeordnet, wo hingegen die Austrittsδffnung 5, 7 im Gas- sammelraum 30, 3U mittig angeordnet ist. In Bezug auf die Kanäle 80, 8U des Interkonnektors ist eine symmetrische Strömungsausbildung gegeben. Dies ist ein besonderes Problem bei der Ausgestaltung der internen Gasver- und entsorgung für eine Gegenstromführung von Luft und Brenngas an den Zel- len. Mit der Positionierung der Zu- und Ableitungsöffnungen (Bohrungen) kann eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Luft über die einzelnen Luftkanäle erreicht werden. Eine gleichartige aber gegenläufige Strömungsführung ist für das Brenngas vorgesehen. Eine Aussparung für einen Gassammeiraum liegt auf der anderen Seite des Interkonnektors eine Aussparung für einen Gasverteilerraum gegenüber, wie durch die gestrichelte Linienführung angedeutet . Die Verteilerleitungen für die Zu- und Abführungen des Brenn- und des Oxidati- onsgases können so vorteilhaft auf einfache Weise auf zwei Seiten des Brennstoffzellenstapels angeordnet werden.FIG. 2 shows the problem solution according to the invention for an interconnector of a fuel cell with a parallel flow of air and fuel gas. A uniform flow in the individual air channels (or fuel gas channels) 8 0 , 8 U is achieved in that the air is introduced into a gas distribution space 2 0 , 2 U through two bores 4, 4a, 6, 6a and in the gas collection space 3 opposite 0 , 3 U is discharged again through a central bore 5, 7. The two inlet openings 4, 4a and 6, 6a are arranged on the right and left, as seen in the direction of flow, of the inlet space 2 a , 2 U , whereas the outlet opening 5, 7 in the gas collection space 3 0 , 3 U is arranged in the center. With respect to the channels 8 0 , 8 U of the interconnector, a symmetrical flow formation is given. This is a particular problem when designing the internal gas supply and disposal for countercurrent air and fuel gas at the cells. With the positioning of the inlet and outlet openings (bores), the air can be distributed as evenly as possible over the individual air ducts. A similar but opposite flow guidance is provided for the fuel gas. On the other side of the interconnector, a recess for a gas collection space is opposite a recess for a gas distribution space, as indicated by the dashed lines. The distributor lines for the supply and discharge of the fuel and the oxidation gas can thus advantageously be arranged in a simple manner on two sides of the fuel cell stack.
Eine entsprechende Ausführung ist auch für die Kreuzstromführung bei der Verwendung von großen Zellen angebracht . Üblicher Weise ist bei einer Brennstoffzelle der Luftvolu- menstrom ein vielfaches des Brenngasvolumenstroms. Diesem Umstand kann durch eine entsprechende Gestaltung der Vertei- lungs- und Sammelräume für die Luft bzw. des Brenngases und durch die Größe der jeweiligen Eintritts- sowie Austritts- Öffnungen Rechnung getragen werden.A corresponding version is also appropriate for cross-current flow when using large cells. In a fuel cell, the air volume is usually flow is a multiple of the fuel gas volume flow. This fact can be taken into account by appropriately designing the distribution and collection spaces for the air or the fuel gas and by the size of the respective inlet and outlet openings.
In Figur 3 ist ein zweizeiliger Brennstoffzellenstapel für eine Parallelstromführung dargestellt, der von unten nach oben wie folgt aufgebaut ist. Auf einer unteren Abschlußplatte, wird ein rahmenformiges Blech angeordnet, in welchem sich eine Elektroden-Elektrolyt-Einheit befindet.FIG. 3 shows a two-line fuel cell stack for a parallel flow, which is constructed from bottom to top as follows. On a lower end plate, a frame-shaped sheet is arranged, in which an electrode-electrolyte unit is located.
Darüber ist der erfindungsgemäße Interkonnektor angeordnet . Als Abschluß folgt wieder ein rahmenformiges Blech mit einer weiteren Elektroden-Elektrolyt-Einheit sowie eine obere Abschlußplatte. Die Abschlußplatten sind ähnlich wie der erfindungsgemäße Interkonnektor aufgebaut, weisen aber die Aussparungen und Kanäle nur auf der dem Stapel zugewandten Seite auf. Diese Anordnung ergibt einen zweizeiligen Brennstoffzellenstapel . Die Pfeile markieren die unterschiedlichen Wege des Brennstoffs und des Oxidationsgases durch die- sen Brennstoffzellenstapel .The interconnector according to the invention is arranged above this. The conclusion is again a frame-shaped sheet with another electrode-electrolyte unit and an upper end plate. The end plates are constructed similarly to the interconnector according to the invention, but have the cutouts and channels only on the side facing the stack. This arrangement results in a two-line fuel cell stack. The arrows mark the different paths of the fuel and the oxidizing gas through this fuel cell stack.
Legende zu den Figuren 1 bis 3 :Legend for Figures 1 to 3:
1 Interkonnektor,1 interconnector,
20, 2U Aussparung für den Gasverteilerraum auf der Ober- bzw. Unterseite des Interkonnektors,2 0 , 2 U recess for the gas distribution space on the top and bottom of the interconnector,
30, 3U Aussparung für den Gassammeiraum auf der Ober- bzw. Unterseite des Interkonnektors, , 4a, 5 Bohrungen, die in die Aussparung auf der Oberseite des Interkonnektors münden,3 0 , 3 U recess for the gas collection space on the top and bottom of the interconnector, , 4a, 5 holes that open into the recess on the top of the interconnector,
, 6a, 7 Bohrungen, die in die Aussparung auf der Unterseite des Interkonnektors münden,, 6a, 7 holes which open into the recess on the underside of the interconnector,
, 8U parallele Kanäle zwischen den Aussparungen jeweils auf der Ober- und der Unterseite des Interkonnektors . , 8 U parallel channels between the cutouts on the top and bottom of the interconnector.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1 . Interkonnektor (1) für eine Hochtemperatur-Brennstoff zelle1 . Interconnector (1) for a high-temperature fuel cell
- mit wenigstens zwei Aussparungen auf einer Seite (20,
Figure imgf000012_0001
- wobei zwischen den Aussparungen auf einer Seite parallele Kanäle (8C, 8U) angeordnet sind, die die Aussparungen verbinden,- with at least two recesses on one side (2 0 ,
Figure imgf000012_0001
parallel channels (8 C , 8 U ) are arranged on one side between the recesses and connect the recesses,
- mit Bohrungen (4, 5, 6, 7) die nahezu senkrecht von der Oberseite des Interkonnektors zur Unterseite ver- laufen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Aussparungen (20, 30, 2U, 3U) eine weitere Bohrung (4a, 6a) aufweist.- With holes (4, 5, 6, 7) which run almost perpendicularly from the top of the interconnector to the bottom, characterized in that at least one of the cutouts (2 0 , 3 0 , 2 U , 3 U ) has a further hole (4a, 6a).
2. Interkonnektor nach Anspruch 1, bei dem jeweils eine2. Interconnector according to claim 1, in which one
Aussparung (20, 2U) zwei Bohrungen (4 und 4a, bzw. 6 und 6a) und die jeweils zweite Aussparung auf derselben Seite des Interkonnektors (30, 3U) nur jeweils eine Bohrung (5, 7) aufweist.Recess (2 0 , 2 U ) two bores (4 and 4a, or 6 and 6a) and the second recess on the same side of the interconnector (3 0 , 3 U ) each has only one bore (5, 7).
3. Interkonnektor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die Bohrungen unterschiedliche Durchmesser aufweisen.3. Interconnector according to one of claims 1 to 2, in which the bores have different diameters.
4. Interkonnektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , mit zwei Aussparungen auf der Oberseite (20, 30) und zwei Aussparungen auf der Unterseite (2U, 3U) , wobei jeweils eine Aussparung (2Q, 2U) als Gasverteilerraum zwei Bohrungen (4, 4a, 6, 6a) und die jeweils anderen Ausspa- rungen (30, 3U) als Gassammeiraum nur eine Bohrung (5, 7) aufweisen und einer Aussparung mit zwei Bohrungen auf der Oberseite eine Aussparung mit einer Bohrung auf der Unterseite entspricht .4. Interconnector according to one of claims 1 to 3, with two recesses on the top (2 0 , 3 0 ) and two recesses on the underside (2 U , 3 U ), each having a recess (2 Q , 2 U ) as Gas distribution space two holes (4, 4a, 6, 6a) and the other cutouts stanchions (3 0 , 3 U ) have only one hole (5, 7) as gas collection space and a recess with two holes on the top corresponds to a recess with a hole on the bottom.
5. Brennstoffzellenstapel umfassend wenigstens einen Interkonnektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4.5. Fuel cell stack comprising at least one interconnector according to one of the preceding claims 1 to 4.
6. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5, bei dem die aus den Aussparungen (20, 2U) gebildeten Gasverteilerräume jeweils zwei Bohrungen (4, 4a und 6, 6a) und die aus den Aussparungen (30, 3U) gebildeten Gassammeiräume jeweils nur eine Bohrung (5, 7) aufweisen.6. The fuel cell stack according to claim 5, wherein the gas distribution spaces formed from the recesses (2 0 , 2 U ) each have two bores (4, 4a and 6, 6a) and the gas collection spaces formed from the recesses (3 0 , 3 U ) each only have a bore (5, 7).
7. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5 bis 6, bei dem die Bohrungen (4, 4a, 6, 6a) in Strömungsrichtung rechts und links im Gasverteilerraum (20, 2U) angeordnet sind.7. Fuel cell stack according to claim 5 to 6, in which the bores (4, 4a, 6, 6a) are arranged in the flow direction on the right and left in the gas distribution space (2 0 , 2 U ).
8. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5 bis 7, bei dem die Bohrungen (5, 7) in Strömungsrichtung mittig im Gassammeiraum angeordnet sind.8. The fuel cell stack according to claim 5 to 7, wherein the bores (5, 7) are arranged centrally in the flow direction in the gas collection space.
9. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5 bis 8, bei dem die Durchmesser der Bohrungen für das Oxidationsmittel größer sind als die Durchmesser der Bohrungen für das Brenngas .9. Fuel cell stack according to claim 5 to 8, wherein the diameter of the holes for the oxidizing agent are larger than the diameter of the holes for the fuel gas.
10. Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperatur-Brenn- Stoffzellenstapels mit mehreren Interkonnektoren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an einer ersten Seite des Stapels ein Gas über wenigstens zwei Bohrungen (4, 4a) in einen Gasverteilerraum (20) einer Brennstoffzelle eingeleitet und über eine Bohrung (5) aus einem Gassammeiraum (30) auf der gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels aus der Brennstoffzelle heraus geleitet wird. 10. A method for operating a high-temperature fuel cell stack with a plurality of interconnectors according to one of claims 1 to 4, characterized in that on a first side of the stack a gas is introduced via at least two bores (4, 4a) into a gas distribution space (2 0 ) of a fuel cell and via a bore (5) from a gas collection space (3 0 ) on the opposite side of the Fuel cell stack is passed out of the fuel cell.
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