DE19936011A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Leistungsdichte von tubularen oxidkeramischen Brennstoffzellen - Google Patents

Abstract

Oxidkeramische Brennstoffzellen SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) werden in planarer und in tubularer (röhrenförmiger) Bauweise entwickelt. Eine Konstruktionsanalyse zeigt, daß die tubulare Konstruktion eine Reihe von Vorteilen hat. Damit ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden können, müssen die tubularen SOFC aber relativ lang gebaut werden. Außerdem sinkt die Stoffübergangszahl umgekehrt proportional zu dem Druck, wenn eine Gasturbine nachgeschaltet werden soll. Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, die Geometrie einer tubularen Brennstoffzelle so zu gestalten, daß gleichzeitig ein geringer Durchmesser möglich ist, um die Leistungsdichte zu erhöhen, daß das Zellrohr aus Gründen der mechanischen Stabilität und der Herstellbarkeit kurz gestaltet werden kann und daß dabei der Stoffübergang so verbessert wird, daß auch bei einem gesteigerten Systemdruck ein ausreichend hoher Stoffübergang gewährleistet ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Inneren des Zellrohres eine schraubenförmige Wendel angeordnet wird, die für eine Umlenkung der Strömung des sich im Inneren des Zellrohres befindlichen Reaktionsgases sorgt.

Description

Oxidkeramische Brennstoffzellen SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) werden in planarer und in tubularer (röhrenförmiger) Bauweise entwickelt. Eine Konstruktionsanalyse zeigt, daß die tubulare Konstruktion eine Reihe von Vorteilen bietet (vergl. W. Winkler, J. Krüger, M. Sax, R. Telle: Development and manufacturing of a tubular SOFC combustion system. Proceedings 3 ^rd EUROPEAN SOLID OXIDE FUEL CELL FORUM in Nantes. 1998. Ed. Philippe Stevens. Posters S. 245-254, W. Winkler Auslegung von Brennstoffzellenanlagen. Seminarunterlage zu gleichnamigen Seminar im Haus der Technik in Essen im November 1998). Insbesondere sind dies die günstigen thermomechanischen Eigenschaften, die einfache Möglichkeit zu kaskadieren, die kostengünstigen Kontaktierungswerkstoffe, die Möglichkeit, auf eine Kontaktierung auf der Luftseite ganz zu verzichten und die geringe Länge der benötigten Dichtungen. Es erweist sich als günstig, wenn der Durchmesser der Röhren klein ist. Einerseits ist die Stoffübergangszahl umgekehrt proportional zum hyraulischen Durchmesser und andererseits steigt die Leistungsdichte des Brennstoffzellenstapels umgekehrt mit dem Durchmesser.

Damit ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden können, müssen aber die Röhren relativ lang gebaut werden. Wenn der Systemdruck aber soweit erhöht werden muß, um eine nachgeschaltete Gasturbine betreiben zu können, so sinkt die Stoffübergangszahl umgekehrt proportional zu dem Druck (vergl. z. B. VDI-Wärmeatlas Abschnitt Da Berechnung des Diffusionskoeffizienten).

Es läßt sich zeigen, daß sich ein möglichst großes Verhältnis von Zelloberfläche und benetztem Umfang notwendig ist, um somit eine möglichst große charakteristische Länge zu erzielen (W. Winkler The influence of the mass transfer on the geometric design of SOFC stacks. Sixth Grove Fuel Cell Symposium Queen Elizabeth II Congress Centre in London, September 1999. Erscheint in Journal of Power Sources). Bei allen bisher bekannten Zelltypen, planar, tubular und tubular mit Innenrohr bleibt die lineare Abhängigkeit von Reynoldszahl und Baulänge erhalten.

Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, die Geometrie einer tubularen Brennstoffzelle so zu gestalten, daß gleichzeitig ein geringer Durchmesser möglich ist, um die Leistungsdichte zu erhöhen, daß das Zellrohr aus Gründen der mechanischen Stabilität und der Herstellbarkeit kurz gestaltet werden kann und daß dabei der Stoffübergangskoeffizient so erhöht wird, daß auch bei einem gesteigerten Systemdruck ein ausreichend hoher Stoffübergang gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Inneren des Zellrohres eine schraubenförmige Wendel angeordnet wird, die für eine Umlenkung der Strömung des sich im Inneren des Zellrohres befindlichen Reaktionsgases sorgt. Das Reaktionsgas ist entweder Verbrennungsluft oder Brenngas. Die schraubenförmige Wendel bewirkt einerseits, daß die tatsächliche Lauflänge der Strömung erhöht und gleichzeitig der hydraulische Durchmesser für den Stoffübergang reduziert wird. Außerdem sorgen die auftretenden Zentrifugalkräfte für eine erhebliche Verbesserung des Stoffaustausches durch Sekundärströmungen bereits im laminaren Bereich.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung stellt die Kombination der Schraubenwendel mit einem Innenrohr dar. Dabei wird das Innenrohr als Trägerrohr für die Schraubenwendel eingesetzt. Eine zweckmäßige Erweiterung der Erfindung ist die Kühlung des Innenrohres mit einem Prozeßfluid zur Wärmeauskopplung. Eine weitere zweckmäßige Ergänzung ist die Installation einer werteren Schraubenwendel im Innenrohr zu Erhöhung des Wärmeüberganges.

Fig. 1a zeigt dazu das Zellrohr 1 und die innen befindliche Schraubenwendel 2, die für die Umlenkung des Reaktionsgases 3 Verbrennungsluft oder Brenngas in dem Zellrohr sorgt. In Fig. 1b ist als Ergänzung dazu das Innenrohr 4 eingezeichnet.

Eine weitere zweckmäßige Fortbildung der Erfindung stellt das Aufbringen von Noppen, Abreißkanten und/oder Rillen auf der Wendel und oder dem Innenrohr zur Erhöhung des Turbulenzgrades dar.

Eine weitere zweckmäßige Fortbildung der Erfindung ist die Nutzung der Schraubenwendel 2 als Tragstruktur für eine tubulare SOFC. Dabei wird die Schraubenwendel 2 mit Elektrodenmaterial umhüllt und die darüber der Elektrolyt und die weitere Elektrode aufgebracht. Die Werkstoffe von Schraubenwendel und SOFC sind hinsichtlich ihrer Dehnung abgestimmt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erhöhung der Leistungsdichte bei tubularen SOFC 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der SOFC 1 eine Schraubenwendel 2 in Längsrichtung zur Verbesserung des Stoffüberganges dergestalt angeordnet ist, daß das in der SOFC 1 strömende Reaktionsgas 3 so umgelenkt wird, daß es während des Durchströmens der tubularen SOFC 1 mehrfach um die Längsachse entlang der Elektrodenfläche der SOFC 1 geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenwendel 2 auf einem mit einem Prozeßfluid gekühlten Innenrohr 4 zum Wärmeaustrag aus der SOFC aufgebracht ist.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Noppen und/oder Abreißkanten und/oder Rillen auf der Schraubenwendel 2 und/oder dem Innenrohr 4 zur Erhöhung des Turbulenzgrades aufgebracht werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr 4 mit einer Schraubenwendel 2 zur Verbesserung des Wärmeüberganges des Prozeßfluides im Innenrohr 4 versehen ist.

5. Schraubenförmige Wendeln 2 in tubularen SOFC 1, wobei die Wendeln 2 in Längsrichtung der SOFC 1 so angeordnet sind, daß das Reaktionsgas 3 mehrfach umgelenkt wird.

6. Schraubenförmige Wendeln in der Längsrichtung von gekühlten Innenrohren 4 von tubularen SOFC 1 zur Erhöhung des Wärmeüberganges im Innenrohr.

7. Schraubenwendeln 2, die als Tragstruktur für eine tubulare SOFC 1 ausgebildet sind, wobei die Schraubenwendel 2 mit Elektrodenmaterial umhüllt wird und darüber der Elektrolyt und die weitere Elektrode aufgebracht wird.