Komprimeringskasse for en brenselcellestabel og en fremgangsmåte for å fremstille en komprimeringskasse for en brenselcellestabel Beskrivelse

Transkript

1 Komprimeringskasse for en brenselcellestabel og en fremgangsmåte for å fremstille en komprimeringskasse for en brenselcellestabel Beskrivelse Oppfinnelsen omhandler komprimering av cellestabler, mer spesifikt en komprimeringskasse for brenselcellestabler eller elektrolysecellestabler og fremstillingen av slike komprimeringskasser spesielt for fast oksid brenselcelle (SOFC) stabler eller fast oksid elektrolysecellestabler (SOEC). I det følgende vil oppfinnelsen bli forklart i forhold til SOFC stabler. Komprimeringskassen i henhold til oppfinnelsen kan, imidlertid, også bli anvendt for andre typer brenselceller slik som polymer elektrolytt brenselceller (PEM) eller direkte metanol brenselceller (DMFC). Videre kan oppfinnelsen også bli anvendt for elektrolyseceller slik som fast oksid elektrolyseceller og slike cellestabler. De elektro-kjemiske reaksjonene og funksjonen av en brenselcelle eller en elektrolysecelle er ikke essensen ved foreliggende oppfinnelse, dette vil således ikke bli forklart i detalj, men vurdert kjent for en fagperson. For å øke spenningen produsert ved SOFC-en, blir flere celleenheter satt sammen for å danne en stabel og blir knyttet sammen ved sammenkoblinger. Disse lagene av stabelen blir forseglet sammen med en gasstett og temperaturbestandig forsegling slik som glass langs noen eller alle kanter. Sammenkoblingene tjener som en gassbarriere for å skille anode- (brensel) og katode (luft/oksygen) sidene av tilstøtende celleenheter, og på samme tid muliggjør de strømledning mellom de tilstøtende cellene, dvs. mellom en anode på én celle med et overskudd av elektroner og en katode på en naboliggende celle som trenger elektroner for reduksjonsprosessen. Strømledningen mellom sammenkoblingen og dens naboliggende elektroder blir muliggjort via flere kontaktpunkter gjennom hele arealet av sammenkoblingen. Kontaktpunktene kan være formet som utspring på begge sider av sammenkoblingen. Effektiviteten av brenselcellestabelen er avhengig av god kontakt i hvert av disse punktene, og det er derfor kritisk at en passende komprimeringskraft blir utøvet til brenselcellestabelen. Denne komprimeringskraften må være stor nok og jevnt fordelt gjennom hele arealet av brenselcellen for å sikre elektrisk kontakt, men ikke så stor at den skader elektrolytten, elektrodene, sammenkoblingen eller hemmer gass-strømningen over brenselcellen. Komprimeringen av brenselcellen er også vital for forseglingen mellom lagene av stabelen for å holde stabelen gasstett. En løsning på dette problemet har blitt foreslått i WO som beskriver hvordan brenselcellestabelen har termisk isolerende endeblokker som har én rektangulær plan side vendt mot stabelen og en motstående side av konveks fasong. Fjærer strammer et fleksibelt blad mot flaten med konveks fasong av endeblokkene, hvorved fjærkraften blir jevnt fordelt over stabelendearealene.

2 I DE 34 er det tilveiebrakt et hus som omgir en SOFC og en komprimerbar matte mellom stabelen og huset tilveiebringer en komprimeringskraft til cellene både radialt og aksialt. WO beskriver hvordan en stabel blir satt under strekkspenning via fjærer som tvinger for eksempel hemisfærisk formede trykkfordelende elementer mot termisk isolerende elementer som så presser videre på stabelen. I WO blir en stabel komprimert ved termisk isolerende elementer, som blir presset mot stabelen ved en elastisk hylse. Hylsen kan for eksempel være dannet av silikon eller naturlig kautsjuk. Enda et annet stabelkomprimeringsprinsipp er vist i DE På tross av de presenterte kjente løsningene til komprimeringsproblemet av en brenselcellestabel, har alle av dem noen av de iboende problemer: Jo flere komponenter som er involvert i komprimeringssystemet jo mer kostbart er det å produsere og jo høyere er materialkostnadene. Videre øker risikoen for feilfunksjon generelt med økende antall komponenter. Avhengigheten av metallfjærer for å komprimere stabelen øker kostnader og spesielt når de blir utsatt for varme, har metallfjærer tendens til å krype og endrer derfor fjærkarakteristikken over tid og derfor presskraften. Løsningen som anvender kautsjuk som trykkgenerator kan kreve et videre statisk hus, for eksempel i metall for å muliggjøre den mekaniske og prosessvise tilknytning til omliggende systemer, og å beskytte komprimeringssammenstillingen. Løsninger uten konvekse kraftfordelingselementer har risikoen for ujevnt trykk gjennom hele arealet av stabelen og følgelig risiko for utilstrekkelig elektrisk kontakt og delaminering av brenselcellestabelkomponentene. Komprimeringsløsninger som ikke er gasstette vil kreve ekstra komponenter for gassfordeling, forgreningsrør, som er kostbare og ømtålig å feste og kompliserer brenselcellesystemet spesielt når flere stabler må bli forbundet i serie og/eller parallelt. Løsninger uten en sterk og tett ytre overflate er sårbare for skade i håndtering, betjening og drift. Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å løse de nevnte problemene ved å tilveiebringe en ny komprimeringskassesammenstilling for én eller flere cellestabler. Mer spesifikt er det et formål ved oppfinnelsen å tilveiebringe en komprimeringskassesammenstilling som utelater nødvendigheten for metallfjærer for å komprimere en cellestabel.

3 Et formål ved oppfinnelsen er også å tilveiebringe en komprimeringskassesammenstilling som danner en trykkbestandig beholder som er i stand til å motstå trykkene som eksisterer i for eksempel turbinsystemer. Det er et videre formål ved oppfinnelsen å tilveiebringe en komprimeringskassesammenstilling som kan tolerere høye omliggende temperaturer. Det er videre et formål ved oppfinnelsen å tilveiebringe en komprimeringskassesammenstilling som sørger for en hovedsakelig gasstett innelukning av minst fire sider av cellestabelen. Det er enda et videre formål ved oppfinnelsen å tilveiebringe en komprimeringskasse som sørger for hovedsakelig gasstett separasjon av to motsatte sider av cellestabelen, som i én utførelsesform er separasjon av oksidasjonsgassinnløps- og oksidasjonsgassutløpsiden av cellestabelen. Et videre formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe en komprimeringskassesammenstilling som sørger for en jevn trykkfordeling eller en veldefinert trykkfordeling gjennom hele arealet av brensels- eller elektrolysecellene i en cellestabel. Et videre formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe en komprimeringskassesammenstilling som termisk isolerer en cellestabel. Et videre formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe en komprimeringskassesammenstilling som tilveiebringer vibrasjonsdemping og beskyttelse av en cellestabel Et videre formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe en komprimeringskassesammenstilling som består av få og stabile komponenter. Et videre formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe en robust, bestandig og sveisbar komprimeringskassesammenstilling som beskytter brenselcellene og tilveiebringer enkel håndtering og montering siden komprimeringssystemet og forgreningsrørene er integrert i sammenstillingen. Et videre formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe en komprimeringskassesammenstilling som muliggjør enkel, tett og bestandig seriell og parallell katodestrømningsforbindelse av to eller flere stabler. Et videre formål ved oppfinnelsen er å tilveiebringe en komprimeringskassesammenstilling som i seg selv sørger for enkle tilkoblinger for overskuddsinjeksjon av prosessgasser eller fluider. Disse og andre formål blir oppnådd ved oppfinnelsen som beskrevet under. Følgelig er det tilveiebrakt en komprimeringskassesammenstilling for stabler av spesielt fast oksid brenselceller eller fast oksid elektrolyseceller, men også potensielt for andre kjente celletyper som allerede nevnt. I det følgende vil brenselcellestabelen eller elektrolysecellestabelen bli betraktet som en svart boks, siden essensen av foreliggende oppfinnelse er komprimeringskassesammenstillingen, ikke de elektrokjemiske reaksjonene som finner sted innen cellene. Følgelig, i tilfellet med brenselceller, gene-

4 rerer den svarte boksen elektrisitet og varme når tilført oksidasjonsgass og brenselsgass eller; I tilfellet med elektrolyseceller genererer den svarte boksen oksidasjonsgass og brenselsgass når tilført elektrisitet, avhengig av den elektriske lasten vil den svarte boksen enten produsere varme eller konsumere varme. Funksjonen og de interne komponentene av brensel- eller elektrolysecellestabelen blir vurdert som kjent teknikk og er ikke gjenstand ifølge denne oppfinnelsen. Brensel- eller elektrolysecellestabler kan ha mange fysiske fasonger, som ikke er begrensende for foreliggende oppfinnelse men for å forenkle redegjørelsen av oppfinnelsen, vil den følgende forklaringen og eksemplene ta som et utgangspunkt en cellestabel med boksfasong dvs. med seks rektangulære sider, åtte hjørner og tolv kanter plassert i hovedsakelig rektangulær tilknytning tre og tre. I det følgende vil cellestabelen være karakterisert som å ha en toppflate, en bunnflate og flere sideflater. Den nødvendige forutsetningen ifølge foreliggende oppfinnelse er følgelig at minst toppflaten og bunnflaten trenger en komprimeringskraft slik at toppflaten blir presset mot bunnflaten. Eventuelt, trenger videre to motstående sideflater av stabelen en komprimeringskraft mot hverandre og i noen tilfeller trenger videre to motstående sideflater en komprimeringskraft mot hverandre. For å fordele en komprimeringskraft og eventuelt også å tilveiebringe termisk isolasjon, blir et stivt kraftfordelingselement med én plan og én konveks fasong plassert mot toppflaten og ett blir plassert mot bunnflaten av stabelen. Eventuelt kan også to eller flere av sideflatene bli anvendt med kraftfordelingselementer. Rundt sammenstillingen av stabel- og kraftfordelingselementer blir det anbrakt en fleksibel komprimeringskraftmatte, som har karakteristikkene at den kan bli komprimert når utsatt for en komprimeringskraft. Avstanden av komprimeringen er relatert til størrelsen av komprimeringskraften, således kan den nødvendige komprimeringskraften som skal bli utøvet til kraftfordelingselementene og videre til stabelen bli oppnådd ved å komprimere matten den tilsvarende avstanden. Komprimeringen av matten blir opprettholdt ved å anvende en stiv fikseringskrage rundt stabelsammenstillingen, kraftfordelingselementene og komprimeringskraftmatten. I denne sammenhengen vil "stiv" bety stiv mot en trekk-kraft, følgelig kan et tynt metallblad være tilstrekkelig stivt mot en trekk-kraft til å utøve den nødvendige fikseringen. Fikseringskragen blir strammet rundt komprimeringsmatten inntil den krevede komprimeringsavstanden eller korrelerende komprimeringskraften blir nådd, deretter blir kragen fiksert i denne strammede posisjonen. Fikseringskragen kan omfatte én eller flere seksjoner som alle er fiksert. 1. Komprimeringskassesammenstilling for minst én cellestabel dannet av flere brenselceller eller elektrolyseceller, den minst ene cellestabelen omfatter en toppflate en bunnflate

5 1 2 3 flere sideflater brenselsgassinnløp og utløp egnet for kommunikasjon til brenselsgassinnløpsog utløpsforgreningsrørene oksidasjonsgassinnløp og utløp egnet for kommunikasjon til oksidasjonsgassinnløps- og utløpsforgreningsrør nevnte komprimeringskassesammenstilling omfatter minst ett stivt kraftfordelingselement, minst én fleksibel komprimeringskraftmatte og minst én stiv fikseringskrage som omfatter en indre overflate, en ytre overflate og en første og en andre sidekant, det minst ene kraftfordelingselementet omfatter en toppdel som har en første plane overflate vendt mot toppflaten av cellestabelen og en primært konveks formet andre overflate motsatt nevnte første plane overflate vendt i en retning mot den indre overflaten av fikseringskragen en bunndel som har en første plane overflate vendt mot bunnflaten av cellestabelen og en primært konveks formet andre overflate motsatt nevnte første plane overflate vendt i en retning mot den indre overflaten av fikseringskragen hvori nevnte stive fikseringskrage omgir den minst ene cellestabelen, det minst ene kraftfordelingselementet og den minst ene fleksible komprimeringskraftmatten på minst nevnte toppflate, nevnte bunnflate og to av nevnte sideflater, den stive fikseringskragen er forhåndsstrammet, hvorved komprimeringskrefter vinkelrett på den omliggende stive fikseringskragen blir overført ved hjelp av den minst ene fleksible komprimeringskraftmatten og det minst ene kraftfordelingselementet til den minst ene cellestabelen i retninger primært vinkelrett på nevnte toppflate, nevnte bunnflate og nevnte to sideflater og hvorved den primært konveks formede andre overflaten av nevnte topp- og bunndeler av det minst ene kraftfordelingselementet tilveiebringer et jevnt fordelt overflatetrykk på minst toppflaten og bunnflaten av den minst ene cellestabelen. 2. En komprimeringskassesammenstilling i henhold til kjennetegn 1, hvori nevnte minst ene kraftfordelingselement og nevnte minst ene komprimeringskraftmatte danner en hovedsakelig gasstett forsegling mellom nevnte topp-, bunn- og to sideflater av den minst ene cellestabelen og den indre overflaten av nevnte omliggende stive fikseringskrage i minst en del av den aksiale utstrekning av kragen. 3. En komprimeringskassesammenstilling i henhold til kjennetegn 2, hvori en første endeplate er fiksert til nevnte krage i nærheten av nevnte første sidekant og en andre endeplate er fiksert til nevnte krage i nærheten av nevnte andre sidekant, hvorved kragen og de første og andre endeplatene danner en gasstett trykkbestandig beholder. 4. En komprimeringskassesammenstilling i henhold til kjennetegn 3, hvori volumet innkapslet ved nevnte første endeplate i kombinasjon med en første kantsone av

6 kragen danner et første gass-side forgreningsrør og er forsynt med en første gassåpning og nevnte andre endeplate i kombinasjon med en andre kantsone av kragen danner et andre gass-side forgreningsrør og er forsynt med en andre gassåpning for den minst ene cellestabelen.. En komprimeringskassesammenstilling i henhold til kjennetegn 3, hvori nevnte første endeplate er forsynt med en første gassåpning og danner et første gass-side forgreningsrør og nevnte andre endeplate er forsynt med en andre gassåpning og danner et andre gass-side forgreningsrør for den minst ene cellestabelen. 6. En komprimeringskassesammenstilling i henhold til et hvilket som helst av de foregående trekkene, hvori nevnte krage er dannet av et tynt metallblad, foretrukket ferrittisk eller austenittisk rustfritt stål eller en nikkellegering, foretrukket inconel. 7. En komprimeringskassesammenstilling i henhold til et hvilket som helst av de foregående trekkene, hvori nevnte endeplater er fiksert til nevnte krage ved hjelp av sveising, en gjengetilknytning, en klemmetilknytning, nagler, bertling, lim eller en flenstilknytning. 8. En komprimeringskassesammenstilling i henhold til et hvilket som helst av de foregående trekkene, hvori to eller flere av nevnte cellestabler er plassert side ved side og/eller bunnflate mot toppflate i et matriksmønster. 9. En komprimeringskassesammenstilling i henhold til et hvilket som helst av de foregående trekkene, hvori to eller flere av nevnte sammenstillinger er forbundet i serie ved å forbinde den andre sidekanten av en tidligere sammenstilling til en første sidekant av en påfølgende sammenstilling.. En komprimeringskassesammenstilling i henhold til kjennetegn 9, hvori åpninger i de forbundne kantsonene mellom de serie-forbundne sammenstillingene er tilveiebrakt for innstrømningen av spylegass, brensel og/eller kjølende media. 11. En komprimeringskassesammenstilling i henhold til et hvilket som helst av de foregående trekkene, hvori nevnte minst ene kraftfordelingselement er termisk isolerende og dannet av keramikk, glass, metall eller en kombinasjon av disse, foretrukket porøs kalsiumsilikat eller glassfiberforsterket kalsiumsilikat. 12. En komprimeringskassesammenstilling i henhold til et hvilket som helst av de foregående trekkene, hvori nevnte minst ene fleksible komprimeringskraftmatte er dannet av vibrasjonsdempende materiale. 13. En komprimeringskassesammenstilling i henhold til et hvilket som helst av de foregående trekkene, hvori nevnte minst ene fleksibel komprimeringskraftmattemateriale omfatter ildfast keramikkfiber eller glassfiber, foretrukket magnesia-silikafiber, aluminafiber som inneholder en mengde av silika, lav-alkali aluminosilikatsammensetninger som inneholder ett eller flere av de følgende oksidene: zirkonia, kromia eller titania eller vermikulitt.

7 En komprimeringskassesammenstilling i henhold til et hvilket som helst av de foregående trekkene hvori nevnte sammenstilling har kraftfordelingselementer påført til toppflaten, bunnflaten og to sideflater av stabelen og har et primært sirkulært tverrsnitt eller nevnte sammenstilling har kraftfordelingselementer påført til toppflaten og bunnflaten av stabelen og har et primært ovalt, elliptisk eller løpebane-formet tverrsnitt. 1. En fremgangsmåte for tilvirkning av minst én sammenstilling i henhold til et hvilket som helst av trekkene 1-14 som omfatter trinnene med å tilveiebringe minst én cellestabel som omfatter flere brenselceller eller elektrolyseceller tilveiebringe minst ett stivt kraftfordelingselement og minst én fleksibel komprimeringskraftmatte omgi nevnte stabel, kraftfordelingselementer og kraftmatte med en stiv fikseringskrage på minst toppflaten, bunnflaten og to sideflater av stabelen stramme nevnte krage for å komprimere nevnte matte og derved utøve en komprimeringskraft til stabelen fiksere nevnte krage i den strammede tilstanden. 16. En fremgangsmåte i henhold til kjennetegn 1 som videre omfatter trinnene med å tilveiebringe en første og en andre endeplate fiksere nevnte første endeplate til kragen i nærheten av en første sidekant av kragen og fiksere nevnte andre endeplate til kragen i nærheten av en andre sidekant av kragen. 17. En fremgangsmåte i henhold til kjennetegn 1 som videre omfatter trinnene med å tilveiebringe to eller flere av nevnte sammenstillinger serie-forbinde sammenstillingene ved å fiksere en andre sidekant av en tidligere sammenstilling til en første sidekant av en påfølgende sammenstilling. 18. Anvendelse av en komprimeringskassesammenstilling i henhold til et hvilket som helst av trekkene 1-14 for vibrasjonsdemping og beskyttelse av minst én brenselcellestabel eller elektrolysecellestabel. Oppfinnelsen er videre illustrert ved de ledsagende tegninger som viser eksempler på utførelsesformer ifølge oppfinnelsen. Fig. 1 viser et avskåret enderiss av komprimeringskassesammenstillingen inkludert den innkapslede cellestabelen i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen. Fig. 2 viser et avskåret sideriss av komprimeringskassesammenstillingen inkludert den innkapslede cellestabelen i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen.

8 8 1 Fig. 3 viser et avskåret enderiss av komprimeringskassesammenstillingen inkludert den innkapslede cellestabelen i henhold til en annen utførelsesform av oppfinnelsen. Fig. 4 viser et isometrisk riss av komprimeringskassesammenstillingen tilpasset med endeplater som gass-forgreningsrør, radialt utstrakte brenselsgassrør og aksialt utstrakte oksidasjonsgassrør. Fig. viser et isometrisk riss av komprimeringskassesammenstillingen tilpasset med endeplater som gass-forgreningsrør, radialt utstrakte brenselsgassrør og radialt utstrakte oksidasjonsgassrør. Fig. 6 viser et isometrisk riss av komprimeringskassesammenstillingen tilpasset med endeplater som gass-forgreningsrør, aksialt utstrakte brenselsgassrør og aksialt utstrakte oksidasjonsgassrør. Fig. 7 viser et avskåret sideriss av komprimeringskassesammenstillingen med to stabler forbundet i seriell katodestrømning ved en kant til kant tilknytning av de to fikseringskragene. Fig. 8 viser et avskåret enderiss av komprimeringskassesammenstillingen med fire stabler forbundet i parallell katodestrømning. Posisjonsnummeroversikt: 1, 1, 1, 401, 01, 601, 701, 801: Stiv fikseringskrage. 2, 2, 2, 702, 802: Topp stivt kraftfordelingselement. 3, 3, 3, 703, 803: Bunn stivt kraftfordelingselement. 4, 804: Første side stivt kraftfordelingselement., 80: Andre side stivt kraftfordelingselement. 6, 6, 6, 706, 806: Fleksibel komprimeringskraftmatte. 9, 9, 9, 709, 809: Cellestabel, boksformet. 2, 4,, 6, 7: Oksidasjonsgass-innløpsforgreningsrør. 211, 411, 11, 611, 711: Oksidasjonsgass-innløpsrør. 212, 712, 812: Oksidasjonsgass-utløpsforgreningsrør. 213, 413, 13, 613, 713: Oksidasjonsgassutløpsrør. 421, 21, 621: Brenselsgassinnløpsrør. 422, 22, 622: Brenselsgassutløpsrør. 731: Mellomliggende oksidasjonsgassforgreningsrør. Refererer til Fig. 1, i én utførelsesform er cellestabelen 9 som skal bli komprimert boks-formet og den er en kombinert innvendig og utvendig forgrenet cellestabel. Brenselsgassen blir tilført til og fjernet fra cellene via innvendige forgreningsrør forbundet til brenselsrør (ikke vist). Oksidasjonsgassen blir tilført til én kant av cellene (brenselceller eller elektrolyseceller som forklart tidligere), strømmer forbi cellearealene og blir så fjernet fra den andre kanten av cellene. Når cellene er stablet danner

9 disse parallelle kantene to sider av stabelen som så må bli knyttet til to utvendige forgreningsrør. I Fig. 1, blir den boksformede cellestabelen 9 sett fra oksidasjonsgassinnløps-siden. I denne utførelsesformen blir stive og termisk isolerende kraftfordelingselementer 2, 3, 4, anbrakt på de fire sidene av cellestabelen: toppog bunnsiden, pluss de to sidene uten åpninger for oksidasjonsgass. Som sett i Fig. 1, er hvert av de fire kraftfordelingselementene plane på overflaten som har kontakt til cellestabelen, mens den motstående overflaten av hvert av kraftfordelingselementene har en konveks fasong i én dimensjon og en lineær fasong i dimensjonen parallell til aksen av den konvekse kurven. Den konvekse kurven av kraftfordelingselementene i denne utførelsesformen har fasongen av en sirkulær bue, mer spesifikt en bue som er en kvart sirkel. Følgelig, når de fire kraftfordelingselementene hvert er plassert på deres tilsvarende side av stabelen, danner de fire konveks-formede overflatene sammen en sylindrisk fasong hovedsakelig uten noen hulrom mellom kraftfordelingselementene og stabelen. Kraftfordelingselementene kan være dannet av en lang rekke materialer avhengig av de spesifikke behovene (termisk isolasjon, gassimpermeabilitet, stivhet, ytterligere funksjoner) for anvendelsen. Eksempler på materialer for kraftfordelingselementer er: keramikk, glass, metall eller en kombinasjon av disse, porøs kalsiumsilikat eller glassfiberforsterket kalsiumsilikat. I noen anvendelser er termisk isolasjon en ønsket karakteristikk av kraftfordelingselementene, mens i andre anvendelser er termisk isolasjon ikke nødvendigvis ønsket. Kraftfordelingselementene kan til og med være aktive komponenter slik som anodevarmevekslere. En fleksibel komprimeringsmatte er plassert rundt sammenstillingen av cellestabelen og de fire kraftfordelingselementene. Den fleksible komprimeringsmatten omringer sammenstillingen tett og endene av matten blir tilpasset tett mot hverandre for eksempel som en butt-ende fiksering eller en tunge og rille sammenstilling. Komprimeringsmatten har karakteristikker som er svært velegnet for komprimering av SOFC-en under høy-temperaturbetingelser. Den er hovedsakelig gasstett, den er temperaturbestandig og den er komprimerbar slik at jo lenger avstand den blir komprimert, jo mer komprimeringskraft utøver den mot komprimeringsretningen. Komprimeringsmatten unngår behovene for metalliske komprimeringsfjærer fordi den utøver en komprimeringskraft til cellestabelen når den har blitt komprimert en passende avstand. Denne "passende avstand" kan bli bestemt enten ved en kjent elastisitetsmodul for komprimeringsmatten eller ganske enkelt ved eksperimentelle iterasjoner. Den nødvendige forutsetningen er stabelens behov for komprimering, som blir bestemt eksperimentelt og som er spesifikk for den aktuelle typen cellestabel. Stabelens komprimeringskraft blir oppnådd ved å stramme komprimeringsmatten rundt stabelen med den ønskede kraften. En annen fremgangsmåte for å bestemme den passende komp-

10 1 2 3 rimeringsavstanden for komprimeringsmatten er å anbringe kraftmålingsanordninger mellom stabelboksens overflater og kraftfordelingselementene og så komprimere den omliggende matten inntil den ønskede komprimeringskraften på stabelen blir oppnådd i henhold til kraftmålingsanordningene. Med én gang dette eksperimentet har blitt utført, kan videre komprimeringssammenstillinger bli produsert på basis av disse data med komprimeringsmatter med lignende karakteristikker. De nødvendige karakteristikkene for komprimeringsmatten kan bli oppnådd med en rekke materialer kjent for fagpersonen, av disse er noen: ildfaste keramikkfibre eller glassfibre, magnesia-silika fibre, aluminafibre som inneholder en mengde av silika, lav-alkali aluminosilikatsammensetninger som inneholder ett eller flere av de følgende oksidene: zirkonia, kromia eller titania eller vermikulitt. Komprimeringskassesammenstillingen blir fullført med en stiv fikseringskrage som omgir stabelen, kraftfordelingselementene og komprimeringsmatten. Fikseringskragen tjener flere formål, viktigst er at den fikserer komprimeringsmatten i den ønskede komprimerte tilstand som er nødvendig for å tilveiebringe den nødvendige komprimeringskraften til stabelen. Fikseringskragen kan være dannet av en rekke materialer slik som metaller, plastmaterialer, komposittmaterialer, glassfibre, karbonfibre eller andre egnede materialer kjent for fagpersonen. Hvis for eksempel fikseringskragen er dannet av stål, kan den bli anbrakt rundt sammenstillingen som et tynt blad, strammet til den ønskede komprimeringskraften ved slangeklemmer eller lignende. Når den ønskede dimensjonen er nådd, kan bladet bli sveiset langs kanten sin, og danner derved en tett fiksert sylindrisk krage rundt komprimeringsmatten, kraftfordelingselementene og stabelen. Fikseringskragen tjener videre som beskyttelse for cellestabelen. Når stabelen er lukket som beskrevet, er den termisk beskyttet, beskyttet mot slag og vibrasjoner ved den fleksible komprimeringsmatten og godt beskyttet mot skrammer, riper eller lignende ved kragen. Kragen kan videre tjene formålet som en del av oksidasjonsgassinnløps- og utløpsforgreningsrøret. Når tilpasset med smale toleranser, danner cellestabelen, kraftfordelingselementene, komprimeringsmatten og fikseringskragen en hovedsakelig gasstett barriere mellom oksidasjonsgassinnløpssiden av stabelen og oksidasjonsgassutløpssiden av stabelen. Selv hvis en mindre mengde av oksidasjonsgass klarer å passere gjennom komprimeringssammenstillingen fra innløpssiden til utløpssiden, vil dette bare ha liten effekt på cellestabelens ytelse. Refererer til Fig. 2, det kan sees at hvis fikseringskragen har en større dimensjon, er bredere, enn brenselcellestabelen 6 (eller elektrolysecellestabel) og dens omliggende kraftfordelingselementer 2, 3 og komprimeringsmatte 6, er sammenstillingen forsynt med en omsluttende innfatning på både oksidasjonsgassinnløpssiden og oksidasjonsgassutløpssiden. Når denne innfatningen er forsynt med et dek-

11 sel, blir det oppnådd et svært enkelt innløpsforgreningsrør 2 og utløpsforgreningsrør 212. Dekselet kan være dannet i det samme stålmaterialet som fikseringskragen og de to kan være sveiset sammen som gir et gasstett og svært robust forgreningsrør når sammenlignet med utvendige forgreningsrør ifølge kjent teknikk som trenger å bli tilpasset ved individuelle forseglinger og monteringssystemer. Følgelig er komprimeringskassesammenstillingen formet som en trykkbeholder som enkelt kan bli dimensjonert for å motstå betydelig over-trykk som blir funnet i for eksempel turbinsystemer. En enorm fordel er videre at det å kjøre brenselcellestabelen med slike forhøyede trykk øker Nernst-potensialet som øker den elektriske effektiviteten av brenselcellestabelen betydelig. Oksidasjonsgassen blir tilveiebrakt til innløpsforgreningsrøret via et oksidasjonsgassinnløpsrør 211 og trukket ut fra utløpsforgreningsrøret via et oksidasjonsgassutløpsrør 213. Brenselsgassen blir tilveiebrakt og trukket ut fra stabelen via innvendige forgreningsrør kjent innen faget (ikke vist) og brenselinnløps- og utløpsrørene (ikke vist) blir tilveiebrakt til de innvendige forgreningsrørene i stabelen gjennom åpninger gjennom fikseringskragen, komprimeringsmatten og videre gjennom kraftfordelingselementene (ikke vist). Brenselsgassrørene kan være forseglet til fikseringskragen og komprimeringsmatten og kraftfordelingselementene ved kjente teknikker og materialer slik som sveising, hardlodding og lignende. I en videre utførelsesform, ikke vist, kan komprimeringskassesammenstillingen inkludert én eller flere stabler være robust og lett tilpasset med et side-forgreningsrør selv hvis kragen ikke er bredere enn stabelen, kraftfordelingselementene og komprimeringsmattesammenstillingen. Hvis kragen har hovedsakelig den samme bredden som resten av nevnte sammenstilling, kan enda en endeplate lett bli tilpasset til kragen ved en hvilken som helst egnet teknikk. Hvis endeplaten blir gitt en svakt konveks fasong, vil et forgreningsrørvolum bli dannet for å fordele oksidasjonsgassen mellom cellene og endeplaten kan i det tilfellet hvor metall blir anvendt ganske enkelt bli sveiset, naglet, hardloddet eller bertlet til kragen analogt med løsningen i henhold til Fig. 2 og således danne en gasstett, trykkbestandig og svært robust sammenstilling. Komprimeringskassesammenstillingen i henhold til Fig. 2 danner således en enkel, gasstett, stabil og robust cellestabelenhet. For å øke brenselcelleeffektivitet, kan det være fordelaktig å forbinde stablene i serie. Som vist i Fig. 7, er den foreliggende sammenstillingen svært velegnet for dette formål som et utløpsforgreningsrør 712 av de primære stablene 709 og et følgende innløpsforgreningsrør 7 av nevnte stabler 709 kan bli utelatt og de to fikseringskragene blir så ganske enkelt sveiset sammen. På denne måten oppstår et volum, et mellomliggende forgreningsrør 731 mellom de to serielt forbundne stablene hvis den omliggende fikseringskragen 701 er bredere enn stabelen. Rør kan være forbundet til det mellomliggende forgreningsrøret,

12 noe som muliggjør injeksjonen av supplementerende oksidasjonsgass, damp, vanntåke eller andre prosessgasser eller fluider. Igjen tilveiebringer den foreliggende komprimeringskassesammenstillingen en kraftig og enkel enhet som muliggjør enkel, robust, trykkbestandig og gasstett seriell tilknytning av et antall brenselcellestabler. Som sett i Fig. 8, er en parallell tilknytning av brenselcellestabler eller elektrolysecellestabler også oppnåelig i henhold til foreliggende oppfinnelse. To eller flere stabler 809 kan bli plassert over hverandre eller side ved side. Uansett hvilken eller hvor mange stabler som er plassert i parallell, kan kraftfordelingselementer 802, 803, 804, 80 være tilpasset rundt stablene, og komprimeringsmatter 806 kan være plassert mellom stablene for å fylle ut hulrom og jevne ut ujevnheter. På denne måten selv når to eller flere stabler er plassert i parallell, kan en enkel, kraftig, trykkbestandig og gasstett komprimeringskassesammenstilling bli oppnådd. Refererer til Fig. 3 en utførelsesform er vist hvor bare toppen og bunnen av cellestabelen 9 blir anvendt med kraftfordelingselementer 2, 3. Sidene av stabelen blir bare anvendt med en komprimeringsmatte 6, ikke med det formål å komprimere, men utelukkende for å oppnå en gasstett innelukning av stabelen. Denne utførelsesformen utnytter det faktum at cellestabelen hovedsakelig trenger komprimering av toppen mot bunnenden, mens sidekomprimeringen er av mindre viktighet for bestandigheten og effektiviteten av stabelen. Derfor vil denne utførelsesformen ikke bare spare side-kraftfordelingselementene men også en betydelig mengde rom, Fig. 4, og 6 viser hvordan brenselinnløps- 421, 21, 621 og utløpsrør 422, 22, 622 kan være forbundet til den lukkede brenselcellestabelen eller elektrolysecellestabelen. Rørene strekker seg gjennom kragen 401, 01, 601 og så videre gjennom komprimeringskraftmatten og kraftfordelingselementene (ikke synlig i Fig. 4, og 6 og videre til den innvendige forgreningen av cellestabelen. I en utførelsesform kan rørene være dannet av et materiale, for eksempel stål, som kan være sveiset eller hardloddet til kragen slik at en robust og gasstett sammenstilling av cellen blir oppnådd. Der Fig. 4 er analog med utførelsesformene i henhold til Fig. 1 og Fig. 2, er det vist en forskjellig løsning i Fig., hvor også oksidasjonsgassrørene 11, 13 er montert på kragesylindersiden slik at de strekker seg hovedsakelig ortogonalt til sylinderens sentrale akse. Denne utførelsesformen kan være fordelaktig i anvendelser hvor rørledning er ønsket på bare én side av cellesammenstillingen. I Fig. 6, er det vist en utførelsesform hvor både oksidasjonsgass 611, 613 og brenselsgass 621, 622 rør strekker seg hovedsakelig parallelt til sylinderaksen via oksidasjonsgassforgreningsrørene.

13 Patentkrav 1. Komprimeringskassesammenstilling for minst én cellestabel dannet av flere brenselceller eller elektrolyseceller, den minst ene cellestabelen omfatter en toppflate en bunnflate flere sideflater brenselsgassinnløp og -utløp egnet for kommunikasjon til brenselsgassinnløpsog utløpsforgreningsrørene oksidasjonsgassinnløp og -utløp egnet for kommunikasjon til oksidasjonsgassinnløps- og utløpsforgreningsrør nevnte komprimeringskassesammenstilling omfatter minst ett stivt kraftfordelingselement, minst én fleksibel komprimeringskraftmatte og minst én stiv fikseringskrage som omfatter en indre overflate, en ytre overflate og en første og en andre sidekant, det minst ene kraftfordelingselementet omfatter en toppdel som har en første plane overflate vendt mot toppflaten av cellestabelen og en primært konveks formet andre overflate motsatt nevnte første plane overflate vendt i en retning mot den indre overflaten av fikseringskragen en bunndel som har en første plane overflate vendt mot bunnflaten av cellestabelen og en primært konveks formet andre overflate motsatt nevnte første plane overflate vendt i en retning mot den indre overflaten av fikseringskragen hvori nevnte stive fikseringskrage omgir den minst ene cellestabelen, det minst ene kraftfordelingselementet og den minst ene fleksible komprimeringskraftmatten på minst nevnte toppflate, nevnte bunnflate og to av nevnte sideflater, den stive fikseringskragen er forhåndsstrammet, hvorved komprimeringskrefter vinkelrett på den omliggende stive fikseringskragen blir overført ved hjelp av den minst ene fleksible komprimeringskraftmatten og det minst ene kraftfordelingselementet til den minst ene cellestabelen i retninger primært vinkelrett på nevnte toppflate, nevnte bunnflate og nevnte to sideflater og hvorved den primært konveks formede andre overflaten av nevnte topp- og bunndeler av det minst ene kraftfordelingselementet tilveiebringer et jevnt fordelt overflatetrykk på minst toppflaten og bunnflaten av den minst ene cellestabelen Komprimeringskassesammenstilling ifølge krav 1, hvori nevnte minst ene kraftfordelingselement og nevnte minst ene komprimeringskraftmatte danner en hovedsakelig gasstett forsegling mellom nevnte topp-, bunn- og to sideflater av den minst ene cellestabelen og den indre overflaten av nevnte omliggende stive fikseringskrage i minst en del av den aksiale utstrekningen av kragen.

14 14 3. Komprimeringskassesammenstilling ifølge krav 2, hvori en første endeplate er fiksert til nevnte krage i nærheten av nevnte første sidekant og en andre endeplate er fiksert til nevnte krage i nærheten av nevnte andre sidekant, hvorved kragen og de første og andre endeplatene danner en gasstett trykkbestandig beholder. 4. Komprimeringskassesammenstilling ifølge krav 3, hvori volumet innkapslet ved nevnte første endeplate i kombinasjon med en første kantsone av kragen danner et første gass-side forgreningsrør og er forsynt med en første gassåpning og nevnte andre endeplate i kombinasjon med en andre kantsone av kragen danner et andre gassside forgreningsrør og er forsynt med en andre gassåpning for den minst ene cellestabelen. 1. Komprimeringskassesammenstilling ifølge krav 3, hvori nevnte første endeplate er forsynt med en første gassåpning og danner et første gass-side forgreningsrør og nevnte andre endeplate er forsynt med en andre gassåpning og danner et andre gassside forgreningsrør for den minst ene cellestabelen. 6. Komprimeringskassesammenstilling ifølge ett av de foregående kravene, hvori nevnte krage er dannet av et tynt metallblad, foretrukket ferrittisk eller austenittisk rustfritt stål eller en nikkellegering, foretrukket inconel. 7. Komprimeringskassesammenstilling ifølge krav 3, hvori nevnte endeplater er fiksert til nevnte krage ved hjelp av sveising, en gjengetilknytning, en klemmetilknytning, nagler, bertling, lim eller en flenstilknytning Komprimeringskassesammenstilling ifølge ett av de foregående kravene, hvori to eller flere av nevnte cellestabler er plassert side ved side og/eller bunnflate mot toppflate i et matriksmønster. 9. Komprimeringskassesammenstilling ifølge ett av de foregående kravene, hvori to eller flere av nevnte sammenstillinger er forbundet i serie ved å knytte sammen nevnte andre sidekant på en tidligere sammenstilling til en første sidekant av en påfølgende sammenstilling. 3. Komprimeringskassesammenstilling ifølge krav 9, hvori åpninger i de forbundne kantsonene mellom de serie-forbundne sammenstillingene er tilveiebrakt for innstrømningen av spylegass, brensel og/eller kjølende media.

15 1 11. Komprimeringskassesammenstilling ifølge ett av de foregående kravene, hvori nevnte minst ene kraftfordelingselement er termisk isolerende og dannet av keramikk, glass, metall eller en kombinasjon av disse, foretrukket porøs kalsiumsilikat eller glassfiberforsterket kalsiumsilikat. 12. Komprimeringskassesammenstilling ifølge ett av de foregående kravene, hvori nevnte minst ene fleksible komprimeringskraftmatte er dannet av vibrasjonsdempende materiale. 13. Komprimeringskassesammenstilling ifølge ett av de foregående kravene, hvori nevnte minst ene fleksible komprimeringskraftmattemateriale omfatter ildfaste keramikkfibre eller glassfibre, foretrukket magnesia-silika fibre, aluminafibre som inneholder en mengde av silika, lav-alkali aluminosilikatsammensetninger som inneholder ett eller flere av de følgende oksider: zirkonia, kromia eller titania eller vermikulitt Komprimeringskassesammenstilling ifølge ett av de foregående kravene hvori nevnte sammenstilling har kraftfordelingselementer anbrakt til toppflaten, bunnflaten og to sideflater av stabelen og har et primært sirkulært tverrsnitt eller nevnte sammenstilling har kraftfordelingselementer anbrakt til toppflaten og bunnflaten av stabelen og har et primært ovalt, elliptisk eller løpebane-formet tverrsnitt Fremgangsmåte for fremstilling av minst én sammenstilling ifølge ett av kravene 1-14 som omfatter trinnene med å tilveiebringe minst én cellestabel som omfatter flere brenselceller eller elektrolyseceller tilveiebringe minst ett stivt kraftfordelingselement og minst én fleksibel komprimeringskraftmatte omgi nevnte stabel, kraftfordelingselementer og kraftmatte med en stiv fikseringskrage på minst toppflaten, bunnflaten og to sideflater av stabelen stramme nevnte krage for å komprimere nevnte matte og derved utøve en komprimeringskraft til stabelen fiksere nevnte krage i den strammede tilstanden Fremgangsmåte ifølge krav 1 som videre omfatter trinnene med å tilveiebringe en første og en andre endeplate fiksere nevnte første endeplate til kragen i nærheten av en første sidekant av kragen og fiksere nevnte andre endeplate til kragen i nærheten av en andre sidekant av kragen.

16 Fremgangsmåte ifølge krav 1 som videre omfatter trinnene med å tilveiebringe to eller flere av nevnte sammenstillinger serieforbinde sammenstillingene ved å fiksere en andre sidekant av en tidligere sammenstilling til en første sidekant av en påfølgende sammenstilling. 18. Anvendelse av en komprimeringskassesammenstilling ifølge ett av kravene 1-14 for vibrasjonsdemping og beskyttelse av minst én brenselcellestabel eller elektrolysecellestabel.

17 Tegninger 17

18 18

19 19

20

21 21

22 22

23 23

24 24