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- Die vorliegende Anmeldung geht zurück auf die deutsche Gebrauchsmusteranmeldung
Nr. DE 20 2006 003 108 ,
deren Prioritätsrecht
sie beansprucht und deren Offenbarungsgehalt sie hiermit durch Bezugnahme
vollumfänglich
einschließt.
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Die
Erfindung betrifft eine rohrförmige
oder tubuläre
Brennstoffzelle, eine Brennstoffzellensäule mit einer Mehrzahl von
solchen rohrförmigen
Brennstoffzellen und eine Brennstoffzellenstapelanordnung mit einer
Mehrzahl solcher Brennstoffzellensäulen.
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Rohrförmige oder
tubuläre
Brennstoffzellen sind beispielsweise aus der
JP 2000,058,089 A , der
EP 0914687 B1 ,
der
EP 1335439 A1 und
der WO 03/071624 A2 bekannt. Bei diesen rohrförmigen Brennstoffzellen bilden
die Kathode, der Elektrolyt und die Anode den Mantel des Rohres
und das Oxidationsmittel, insbesondere Luft, strömt im Inneren des Rohres an
der Kathode entlang, und das Brenngas umströmt die Außenhülle des Rohres mit der Anode.
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Aufgrund
der insbesondere bei SOFC-Zellen auftretenden hohen Temperaturen
im Bereich von 900°C
treten in den Materialien erhebliche thermische Spannungen auf,
was die Anordnung in Stapeln oder Säulen erschwert.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine tubuläre oder
rohrförmige
Brennstoffzelle bereitzustellen, die sich leichter mit anderen gleichartigen
Zellen in Stapeln oder Säulen
zusammenschalten läßt.
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Die
Lösung
dieser Aufgaben erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Durch
die Anordnung der elektrischen Kontaktflächen auf den jeweiligen Stirnseiten
können
die elektrischen Kontaktflächen
unmittelbar benachbarter Brennstoffzellen aufeinander gedrückt werden und
so der elektrische Kontakt hergestellt werden. Die mit Druck beaufschlagten
elektrischen Kontaktflächen
dichten auch die Strömungskanäle für Brenngas
und Oxidationsmittel gegeneinander ab. Darüber hinaus wird durch das einfache
Aufeinanderstapeln dieser Brennstoffzellen die Montage und Demontage bei
Defekten vereinfacht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform nach
Anspruch 2 sind die elektrischen Kontaktflächen plan, was die Herstellung
und die Abdichtung zwischen dem inneren und dem äußeren Strömungskanal vereinfacht.
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Üblicherweise
besteht die Kathode einer Brennstoffzelle aus leitender Keramik
und besitzt daher eine geringere elektrische Leitfähigkeit
als die Anode. Dadurch, dass die Schichtdicke der Kathode wesentlich
größer ist
als die Schichtdicke, der Anode wird dies ausgeglichen (Anspruch
4 und 5).
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Gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung nach den Ansprüchen
6 und 7 besteht die Kathodenschicht aus zwei Schichten, wobei die
erste Kathodenschicht unmittelbar an die Elektrolytschicht angrenzt
und die zweite Kathodenschicht auf der dünneren ersten Kathodenschicht
aufgebracht ist. Die zweite Kathodenschicht ist wesentlich dicker
als die erste Kathodenschicht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung nach Anspruch 8 ist die Kathode dem inneren Strömungsanal
und die Anode dem äußeren Strömungskanal
zugewandt. Dadurch ist gewährleistet,
dass Luft, die auf der Seite der Kathode strömt, nicht mit einer die Brennstoffzelle
umgebenden, üblicherweise
aus Stahl hergestellten Brennstoffzellenhülle in Berührung kommt und daher z.B.
Chromausgasungseffekte bei hohen Temperaturen vermieden werden können.
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Gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung nach Ansprüchen
9 und 10 bildet eine Stirnseite der rohrförmigen Kathodenschicht die
erste elektrische Kontaktfläche
für die
Kathode und bildet die andere Stirnseite der Anodenschicht die zweite
elektrische Kontaktfläche
für die
Anode. In vorteilhafter Weise unterscheidet sich die Materialzusammensetzung
der Kathode im Bereich der Stirnseite bzw. der erste elektrischen
Kontaktfläche
von dem übrigen
Kathodenbereich. Beispielsweise ist im Bereich der ersten elektrischen
Kontaktfläche
die elektrische Leitfähigkeit
durch gezieltes Beimengen von Metall, z.B. Silber, vergrößert. Auch
wird die Porosität im
Bereich der elektrischen Kontaktfläche geringer sein als im übrigen Bereich
der Kathode.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform der
Erfindung nach Anspruch 14 ist die Anode dem inneren Strömungsanal
und die Kathode dem äußeren Strömungskanal
zugewandt. Eine solche Bauform hat den Vorteil, dass die Elektrolytschicht
direkt auf die Anode gespritzt werden kann und insgesamt dünner vorgesehen
werden kann. Eine Stirnseite der rohrförmigen Anodenschicht bildet
dann die erste elektrische Kontaktfläche für die Anode, und die andere
Stirnseite der Kathodenschicht bildet die zweite elektrische Kontaktfläche für die Kathode.
In diesem Fall ist es aus den vorstehend genannten Gründen vorteilhaft,
wenn sich die Materialzusammensetzung der Kathode im Bereich der
Stirnseite bzw. der zweiten elektrischen Kontaktfläche von
dem übrigen
Kathodenbereich unterscheidet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung nach Anspruch 12 oder 18 kann die Porosität der zweiten
Kathodenschicht so groß sein, dass
sich darin sogar Gasströmungskanäle ergeben. Hierdurch
wird die Kontaktfläche
zwischen Kathode und Brenngas vergrößert. Falls die Kathode innen liegt,
kann die zweite Kathodenschicht wenigstens teilweise in radialer
Richtung bis zur Mitte der Brennstoffzelle reichen, wodurch sich
eine besonders einfache Herstellungsweise ergeben kann und das Brenngas
in jedem Fall durch die Gaskanäle
der zweiten Strömungsschicht
treten muss, sodass die vergrößerte Kontaktfläche voll
ausgenutzt werden kann. In diesem Fall kann auch im zentralen Bereich der
Brennstoffzelle ein Kern aus einem Material derart eingebracht sein,
dass der Gasstrom durch die Strömungskanäle in der
Kathodenschicht gezwungen wird. Dadurch kann das Verhältnis der
Strömungsmengen
von Luft und Brenngas zusätzlich
eingestellt werden, und es können
sich zusätzliche
Vorteile bei der Herstellung ergeben.
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Die
Brennstoffzellen sind gemäß Anspruch 21
vorzugsweise in Serie hintereinander so anordbar, dass eine Mehrzahl
hiervon an den elektrischen Kontaktflächen aufeinanderliegen und
damit elektrischen und mechanischen Kontakt miteinander aufweisen. Die
elektrischen Kontaktflächen
stellen zum einen den elektrischen Kontakt zwischen Anode und Kathode
benachbarter Brennstoffzellen her, und andererseits dichten sie
den inneren oder die inneren Strömungskanäle gegen
den äußeren Strömungskanal
für Brenngas-/Oxidationsmittel
ab. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden die Brennstoffzellen nicht
durch Ineinanderschieben gegeneinander abgedichtet, so dass unweigerlich
auftretende thermische oder mechanische Spannungen zwischen benachbarten
Brennstoffzellen nicht zum Bruch der Brennstoffzellen führen können.
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Durch
eine Führungseinrichtung
im Bereich der Stirnseite(n) lassen sich mehrere Brennstoffzellen
leichter aneinander anordnen und ausrichten (Anspruch 22). Vorzugsweise
ist die Führungseinrichtung
auch als Abstandshalter zu in radialer Richtung nebeneinander angeordneten
Brennstoffzellen oder als Abstandshalter zu der Brennstoffzellenhülle ausgelegt
(Anspruch 23).
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Zur
Verbesserung der Abdichtung des inneren gegen den äußeren Strömungskanal
können
die elektrischen Kontaktflächen
gemäß Anspruch
24 entsprechend geglättet
sein. Diese Glättung
erfolgt beispielsweise durch Schleifen und/oder Polieren elektrischen
Kontaktflächen.
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Anspruch
25 betrifft eine Brennstoffzellensäule mit mehreren derart hintereinander
angeordneten erfindungsgemäßen Brennstoffzellen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform nach
Anspruch 26 wird zwischen die elektrischen Kontaktflächen benachbarter
Brennstoffzellen eine elektrisch leitende Schicht eingefügt, die
zum einen dem elektrischen Kontakt zwischen den benachbarten elektrischen
Kontaktflächen
herstellt und zum anderen eine erhöhte Abdichtung zwischen dem
inneren und äußeren Strömungskanal
für Brenngas-/Oxidationsmittel
ermöglicht.
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Statt
die einzelnen Brennstoffzellen mit Führungseinrichtung und Abstandshalter
zu versehen, kann auch eine eigenständige Zentriereinrichtung mit Abstandshalterfunktion
zwischen den einzelnen Brennstoffzellensäulen vorgesehen werden – Anspruch
28 bzw. 29.
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Gemäß Anspruch
30 wird eine Brennstoffzellenstapelanordnung bereitgestellt, bei
der eine Mehrzahl von einzelnen Brennstoffzellen oder Brennstoffzellensäulen parallel
in einem gemeinsamen Wärmetauscherbehälter angeordnet
sind. In diesem gemeinsamen Wärmetauscherbehälter zirkuliert
ein Wärmetransportmedium
das insbesondere die Abwärme
von der Brennstoffzelle aufnimmt und allgemein für eine Regulierung der Temperatur
der Brennstoffzelle sorgt. D.h. durch das zirkulierende Wärmetransportmedium
werden auch lokale Temperaturunterschiede auf einzelne Brennstoffzellen
insbesondere im Bereich der Zuführung
des Brenngases ausgeglichen. Bei herkömmli chen SOFC-Brennstoffzellen ist
die Abdichtung mit chemisch stabilen Dichtungen bei hohen Temperaturen
ca. 900°C)
unter reduzierenden und oxidierenden Bedingungen und gleichzeitige
elektrische Isolierung sehr schwierig. So würde das Zusammentreffen von
aus einer auch nur geringfügigen
Undichtigkeit austretender Luft aus dem inneren Strömungskanal
der Brennstoffzelle auf Brenngas im äußeren Strömungskanal zu einer heftigen
Reaktion und einer lokalen Temperaturspitze führen, welche die Keramik aufgrund
der auftretenden thermischen Spannungen zerstören würde. Werden die lokalen Temperaturspitzen
jedoch weggekühlt,
kann eine geringfügige
Restundichtigkeit hingenommen werden, da sie nicht mehr zur Zerstörung der
Keramik führen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung nach Anspruch 32 durchläuft das Wärmetransportmedium in dem gemeinsamen
Wärmetauscherbehälter während des
Wärmetransports
einen Phasenwechsel. Hierdurch wird zum einen ein effektiver Wärmetransport
und zum andern eine bestimmte gewünschte Betriebstemperatur erreicht, wenn
der Phasenwechsel bei der gewünschten
Betriebstemperatur erfolgt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung nach Anspruch 35 sind die Hüllen der Brennstoffzellen mit
einer Kapillarstruktur versehen, um den Wärmeübergang von der Brennstoffzellenhülle auf
das Wärmetransportmedium
zu verbessern.
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Die übrigen Unteransprüche beziehen
sich auf weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
anhand der Zeichnungen. Es zeigt bzw. zeigen:
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1a eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
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1b eine
Aufsicht auf die erste Stirnseite der Ausführungsform nach 1a;
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1c eine
Aufsicht auf die zweite Stirnseite der Ausführungsform nach 1a;
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2a eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
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2b eine
Aufsicht auf die erste Stirnseite der Ausführungsform nach 2a;
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2c eine
Aufsicht auf die zweite Stirnseite der Ausführungsform nach 2a,
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3a eine
schematische Darstellung einer beispielhafte Anordnung von Brennstoffzellen
gemäß einer
Abwandlung der ersten Ausführungsform
innerhalb einer gemeinsamen Umhüllung;
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3b eine
entlang einer Linie IIIB-IIIB in 3a genommene
Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle von 3a einschließlich der
Umhüllung
und einer beispielhaften Zentriereinrichtung;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer Abwandlung der Brennstoffzelle der
ersten Ausführungsform
mit einer anderen beispielhaften Zentriereinrichtung;
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5 eine
schematische Darstellung einer beispielhaften Anordnung von Brennstoffzellen
gemäß einer
weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform mit einer weiteren
beispielhaften Zentriereinrichtung;
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6a eine
schematische Darstellung einer beispielhaften Anordnung von Brennstoffzellen
gemäß der Erfindung,
und 6b, 6c, 6d und 6e jeweils
eine vergrößerte Ansicht
eines Details "A" in 6a mit
unterschiedlichen Varianten eines Kontaktbereichs zwischen einer
Anode und einem Interkonnektor;
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7 eine
schematische Darstellung einer weiteren Abwandlung einer Brennstoffzelle
gemäß der Erfindung;
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8 eine
schematische Darstellung einer Mehrzahl von Brennstoffzellensäulen gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem gemeinsamen Wärmetauscherbehälter,
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9a und 9b eine
entsprechende schematische Darstellung einer Mehrzahl von Brennstoffzellensäulen gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem gemeinsamen Wärmetauscherbehälter, und
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10 eine
weitere Variante der Anordnung von Wärmetauschersäulen in
einem gemeinsamen Wärmetransportbehälter.
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Die 1a, 1b und 1c zeigen
schematisch eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen rohrförmigen Brennstoffzelle.
In 1a sind hierbei drei in Reihe aufeinander gestapelte Brennstoffzellen 1 gezeigt,
wobei die obere und die untere Brennstoffzelle nur teilweise dargestellt
sind. Der Aufbau der einzelnen Brennstoffzellen ist identisch und
wird beispielhaft anhand der mittleren Brennstoffzelle 1 erläutert. Die
Brennstoffzelle 1 umfasst eine kreisringförmige Rohrwandung 2 mit
einer ersten, oberen Stirnseite 4 (in einer Aufsicht dargestellt
in 1b) und einer zweiten, unteren Stirnseite 6 (in
einer Aufsicht dargestellt in 1c). Die
Rohrwandung 2 umfasst von außen nach innen eine Anode oder
Anodenschicht 8, gefolgt von einer Elektrolytschicht 10 und
einer Kathodenschicht oder Kathode 12, welche die innerste
Schicht der Rohrwandung 2 darstellt. Kathode 12,
Anode 8 und der Festelektrolyt 10 sind jeweils
als Zylindermantel ausgebildet. Die Kathode 12 umfasst
eine erste Kathodenschicht 14 aus Lanthan-Strontium-Manganoxid
(LSM), die unmittelbar an die Elektrolytschicht 10 angrenzt,
und eine an die erste Kathodenschicht 14 angrenzende zweite
Kathodenschicht 15. Die zweite Kathodenschicht 15 grenzt
unmittelbar an einen inneren Strömungskanal 16 an,
in dem ein Oxidationsmittel 18, insbesondere Luft, der
Kathode 12 zugeführt
wird, wie durch einen gepunkteten Pfeil in 1a dargestellt.
Die außen
auf der Rohrwandung 2 angeordnete Anode 8 wird
von einem äußeren Strömungskanal 20 umgeben,
in dem ein Brenngas 22 strömt (durchgehender Pfeil in 1a)
und mit der Anode 8 in Kontakt tritt. Die äußere Begrenzung
des äußeren Strömungskanals 20 ist
in 1 nicht, jedoch in 3a, 3b, 6a und 8 mit
der Bezugsziffer 40 dargestellt.
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Wie
aus 1a, 1b zu ersehen ist, ist die Kathode 12 bzw.
die Kathodenschicht 12 wesentlich dicker als die Anode
bzw. die Anodenschicht 8. Die erhöhte Dicke der Kathode 12 wird
vor allem durch die zweite Kathodenschicht 15 in Form einer elektrisch
leitenden Perovskit-Keramik erreicht. Für die Kathode 12 bzw.
die erste Kathodenschicht 14 eignen sich Lanthanchromit,
Yttriumchromit und LSM. Zur Erhöhung
der elektrischen Leitfähigkeit können die
Keramiken mit Metallen oder Metallfasern versetzt sein.
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Die
Rohrwandung 2 ist im Bereich der ersten Stirnseite 4 plan
geschliffen, so dass die freiliegende Kathode 12 mit den
beiden Kathodenschichten 14 und 15 eine kreisringförmige, plane
erste elektrische Kontaktfläche 24 zur
elektrischen Kontaktierung der Kathode bildet. Damit kein Kurzschluss
zwischen Kathode 12 und Anode 8 auftreten kann,
ist die Anode bzw. die Anodenschicht 8 im Bereich der ersten
Stirnseite 4 zurück
versetzt. Im Bereich der zweiten Stirnseite 6 überragt
die Anodenschicht 8 die Elektrolytschicht 10 und
die Kathodenschicht 12 etwas. Die Elektrolytschicht 10 und
insbesondere die Kathodenschicht 12 sind mit einer kreisringförmigen Isolationsschicht 26 abgedeckt,
sodass sich zusammen mit der überstehenden
Anodenschicht 8 eine Stirnfläche ergibt, die von einer planen,
kreisringförmigen
Leiterschicht 28 überdeckt
wird und eine zweite Stirnseite 6 definiert, die eine zweite
elektrische Kontaktfläche 30 für die Anode 8 bildet.
Die Leiterschicht 28 wird auch als Interkonnektor 28 bezeichnet.
Durch die kreisringförmige
Ausgestaltung der Isolationsschicht 26 sowie der Leiterschicht
(des Interkonnektors) 28 wird ermöglicht, dass bei Aufeinanderstapeln
einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 1 ein durchgehender innerer
Strömungskanal 16 bereitgestellt
wird.
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Dabei
ist zu beachten, daß der
Interkonnektor 28 ebenso wie die Anode 8 auch
als Materialschichten ausgebildet sind, die durch geeignete Maßnahmen
wie z.B. Tauchen, Pinseln, Sprühen oder
elektrochemische Verfahren aufgebracht werden können. Es ist möglich, die
Eigenschaften der als Interkonnektor 28 und als Anode 8 aufgebrachten Materialien
ineinander übergehen
zu lassen, sodass sich ein Übergangsbereich
ergibt, der sich mehr in den Bereich des Interkonnektors 28 oder
mehr in den Bereich der Anode 8 erstrecken kann. Dieser
Fall ist in den Zeichnungen nicht näher dargestellt.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
ist es von Vorteil, dass der Luftstrom 18 im Inneren der Brennstoffzelle 1 verläuft. Dadurch
kann vermieden werden, dass die Luft 18 mit einer üblicherweise
aus Stahl gefertigten Umhüllung
der Brennstoffzelle 1 in Berührung kommt. Dies wäre problematisch,
da bei hohen Temperaturen Chrom aus dem Stahl ausdampfen kann, wenn
dieser mit Luft in Berührung kommt.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung liegt
die Kathode 12 dem inneren Strömungskanal 16 zugewandt,
da die Kathode 12 dem Luftstrom 18 ausgesetzt
sein muss. Aus fertigungstechnischen Gründen kann es aber auch vorteilhaft
sein, die Kathode 12 außen und die Anode 8 innen
zu haben, weil es dann möglich
ist, den Elektrolyten 10 auf die Anode 8 aufzuspritzen
und die Elektrolytschicht 10 insgesamt dünner auszuführen.
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Da
in diesem Fall der Luftstrom 18 außen verläuft, ist es vorteilhaft, wenn
die Stahlumhüllung innen
zusätzlich
beschichtet ist, um ein Ausdampfen von Chrom zu verhindern. Die
Beschichtung der Stahlumhüllung
kann aus einem keramischen Material, z.B. Aluminiumoxid, bestehen.
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Die 2a, 2b und 2c zeigen
demgemäß eine zweite
Ausfführungsform
einer Brennstoffzelle 100. In 2a sind
zwei identische Brennstoffzellen 100 dargestellt, die übereinander
angeordnet sind. Diese Brennstoffzelle 100 gemäß der zweiten
Ausführungsform
weist die gleichen Komponenten wie die Brennstoffzelle 1 des
ersten Beispiels auf, und es werden daher die gleichen Bezugszeichen
verwendet. Der Unterschied zwischen den beiden Brennstoffzellenformen
besteht lediglich darin, dass die Abfolge von Anode 8,
Elektrode 10 und Kathode 12 vertauscht ist. Damit
ist bei der Brennstoffzelle 100 der zweiten Ausführungsform
die äußere Schicht
der Rohrwandung 2 die Kathodenschicht 12 mit der
zweiten Kathodenschicht 15 als äußerster Schicht. Die Anodenschicht 8 ist
damit die innerste Schicht der Rohrwandung 2. Damit strömt im inneren Strömungskanal 16 das
Brenngas 22, während
im äußeren Strömungskanal 20 das
Oxidationsmittel 18 strömt.
Der übrige
Aufbau der beiden Ausführungsformen
ist identisch. Es ist zu beachten, dass die Größenverhältnisse, insbesondere die Durchmesserverhältnisse
der einzelnen Schichten der Brennstoffzelle 100 und des
inneren Strömungskanals 16 in 2a einerseits
und in 2b und 2c andererseits
unterschiedlich dargestellt sind.
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Da
die Brennstoffzellen 1, 100 gemäß der Erfindung
mit planen Flächen 4, 6 aufeinander
liegen, kann es sein, dass sich im Betrieb seitliche Verschiebungen
zwischen aufeinander bzw. hintereinander angeordneten Brennstoffzellen
einstellen. Es kann also wünschenswert
sein, eine Einrichtung bereitzustellen, die eine Zentrierung der
Brennstoffzellen relativ zueinander ermöglicht, ohne den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung
zu beeinträchtigen.
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Die 3a und 3b stellen
eine beispielhafte Anordnung von Brennstoffzellen 1 gemäß einer Abwandlung
der ersten Ausführungsform
innerhalb einer gemeinsamen Umhüllung
dar, wobei in 3b, die eine entlang einer Linie
IIIB-IIIB in 3a genommene Querschnittsansicht
ist, eine erste beispielhafte Zentriereinrichtung sichtbar ist.
In 3a ist eine Abwandlung der Brennstoffzelle 1 der
ersten Ausführungsform
derart dargestellt, dass die Isolationsschicht 26 in einem
Arbeitsgang mit der Elektrolytschicht 10 aufgebracht ist
und insbesondere auch aus dem gleichen Material besteht. Mit anderen
Worten, die Isolationsschicht 26 und die Elektrolytschicht 10 bilden
hier eine einzige durchgehende Schicht, die auch als "Elektrolyttopf" bezeichnet wird
und zur Unterscheidung mit der Bezugsziffer 52 bezeichnet wird.
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Gemäß der Darstellung
in 3a und 3b sind
die Brennstoffzellen 1 innerhalb einer Umhüllung 40 (auch
als Brennstoffzellenhülle 40 bezeichnet)
so angeordnet, dass jeweils eine erste Stirnfläche 4 einer Brennstoffzelle 1 über einen
Interkonnektor 28 an einer zweiten Stirnfläche 6 einer
benachbarten Brennstoffzelle 1 zu liegen kommt. Dabei weist
die Rohrwandung 2 einen Abstand zu der Brennstoffzellenhülle 40 auf.
Wie in 3b gezeigt, wird der Abstand
mittels einer Mehrzahl von Stäben 44 aufrechterhalten,
die innerhalb der Brennstoffzellenhülle 40 in Längsrichtung
angeordnet sind und sowohl an der Innenfläche der Brennstoffzellenhülle 40 als
auch an der Außenfläche der
Rohrwandung 2 anliegen. Im gezeigten Beispiel sind drei
Stäbe 44 unter im
wesentlichen gleichen Abständen
in Umfangsrichtung angeordnet. Es versteht sich, dass auch mehr Stäbe 44 vorhanden
sein können.
Die Stäbe 44 bestehen
vorzugsweise aus einem keramischen Material und ist insbesondere
elektrisch nichtleitend und chemisch inaktiv.
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In 4 ist
eine weitere Abwandlung der Brennstoffzelle 1 gemäß der ersten
Ausführungsform mit
einer Zentriereinrichtung für
Brennstoffzellen dargestellt. In der Zeichnung ist der äußere Umriss
der Rohrwandung 2 der Brennstoffzelle 1 dargestellt.
Die Brennstoffzelle 1 weist vier im Bereich eines Endes (vorzugsweise
des oberen Endes 4) der Brennstoffzelle 1 radial
abste hende Abstandshalter 48 auf. Die Abstandshalter 48 dienen
dazu, den Abstand zu weiteren Brennstoffzellen, die neben der Brennstoffzelle 1 angeordnet
sind, aufrechtzuerhalten. Falls die Brennstoffzellen zur Anordnung
innerhalb einer Brennstoffzellenhülle vorgesehen sind, können die Abstandshalter 48 auch
so angepasst sein, dass sie den Abstand zu der Brennstoffzellenhülle aufrechterhalten.
Die Abstandshalter 48 sind vorzugsweise einstückig mit
dem Elektrolyten 10 bzw. dem Elektrolyttopf 52 der
Rohrwandung 2 ausgebildet.
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5 zeigt
eine weitere Abwandlung der Brennstoffzelle 1 gemäß der ersten
Ausführungsform mit
einer Zentriereinrichtung für
Brennstoffzellen. In der Zeichnung sind drei Brennstoffzellen 1 gezeigt, die übereinander
angeordnet sind. Grundsätzlich handelt
es sich hierbei um die Abwandlung der Brennstoffzelle 1 aus 3a,
bei welcher die Elektrolytschicht 10 und die Isolationsschicht 26 aus
dem gleichen Material ausgebildet sind und einen Elektrolyttopf 52 bilden;
dies spielt aber für
das Verständnis der
Zentriereinrichtung keine tragende Rolle. Im Bereich des oberen
Endes 4 jeder Brennstoffzelle 1 ist eine kragenförmige Verlängerung 50 vorgesehen,
die radialer und axialer Richtung über die Außenkontur der Rohrwandung 2 derart
hinausragt, dass das untere Ende 6 einer benachbarten Brennstoffzelle 1 (der
nächstoberen
Brennstoffzelle 1 in 5) davon umgriffen
wird und radialen Halt findet. Die kragenförmige Verlängerung 50 kann mit
der Rohrwandung 2 einstückig
ausgebildet oder als aufgesetztes "Hütchen" separat ausgebildet
sein. Im gezeigten Beispiel ist die kragenförmige Verlängerung 50 einstückig mit
dem Elektrolyten 10 bzw. dem Elektrolyttopf 52 der
Rohrwandung 2 ausgebildet.
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In 6a ist
eine Anordnung von drei Brennstoffzellen 1 gemäß einer
weiteren Abwandlung schematisch dargestellt, und in 6b bis 6e ist jeweils
die Einzelheit "A" in 6a vergrößert dargestellt.
In 6b bis 6e sind
dabei verschiedene alternative Bauarten des Interkonnektors 28 und
der Anode 8 gezeigt.
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In
der Grundform ist der Interkonnektor 28 auf der durch die
Anode bzw. die Anodenschicht 8 gebildeten ringförmigen Stirnfläche (sowie
den Stirnflächen
der Elektrolytschicht und der Isolationsschicht 26) auf
und bildet die zweite elektrische Kontaktfläche 30 ausgebildet.
Diese plane zweite elektrische Kontaktfläche 30 liegt wiederum
auf der planen ersten elektrischen Kontaktfläche 24 der darunterliegenden
Brennstoffzelle 1 auf (vgl. z.B. 3a). Durch
thermische und mechanische Spannungen kann es vorkommen, dass die
planen Kontaktflächen 24, 30 nicht
vollständig
dicht aufeinanderliegen und Luft aus dem inneren Strömungskanal 16 in
den äußeren Strömungskanal 20 austreten
kann. Sofern die austretende Luftmenge gering ist, kann die in diesem Fall
durch das direkte Aufeinandertreffen von Luft und Brenngas auftretende
Temperaturspitze durch geeignete Kühlungsmaßnahmen wie etwa durch Anordnen
der Brennstoffzellen 1 in einer Wärmerohranordnung so weit abgefangen
werden, dass eine Zerstörung
der Brennstoffzellen 1 vermieden werden kann. Allerdings
ist zu beachten, dass direkt an der Austrittsstelle Luft mit hoher
Temperatur vorliegt, was zu einer unerwünschten Oxidation der Anodenschicht 8 auf
der Außenseite
der Rohrwandung 2 im Bereich der unteren Stirnseite 6 führen kann.
Dem kann durch geeignete Ausbildung des Rands des Interkonnektors 28 und
der Stirnseite der Anode 8 so, dass die Anode im Bereich
der unteren Stirnseite 6 nicht eventuell austretenden Luftströmen ausgesetzt ist,
begegnet werden.
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In
einer in 6b gezeigten Abwandlung weist
die Anode 8 ein flaches Ende auf, wie es auch bisher der
Fall war. D.h., die Anodenschicht ist bis zum axial unteren Ende
der Elektrolytschicht aufgebracht. Der Interkonnektor 28 erstreckt
sich auf der Stirnseite in radialer Richtung über den Außendurchmesser der Anodenschicht 8 hinaus
und ein wenig weiter in Richtung der oberen Stirnseite 4 (nach
oben in 6b). Dies kann z.B. dadurch
bewerkstelligt werden, dass der Interkonnektor 28 erst
nach der Anodenschicht 8 und teilweise auf dieser in dieser
Form aufgebracht wird. Dadurch weist der Interkonnektor 28 einen
Radius auf, der größer als
der Außendurchmesser
der Anode 8 ist, und weist ferner einen in axialer Richtung
auf die Anode 8 weisenden ringförmigen Verlängerungsabschnitt 28b auf,
der so angepasst ist, dass der Rand der Anode 8 von dem
ringförmigen
Verlängerungsabschnitt 28b umschlossen wird.
So ist die Anode dem Gasstrom in dem äußeren Strömungskanal 20 erst
an einer Stelle ausgesetzt, die ein kleines Stück von der unteren Stirnseite 6 entfernt
ist. Der Abstand ist dabei so bemessen, dass aus dem inneren Strömungskanal 16 austretende Luft
bereits verbrannt ist, bevor der Gasstrom auf die Anodenschicht 8 trifft.
Dadurch kann verhindert werden, dass aus dem inneren Strömungskanal 16 nach außen austretende
Luft auf die Anodenschicht 8 trifft. Mit der Ausbildung
gemäß dieser
Abwandlung kann auch die elektrische Verbindung zwischen der Anodenschicht 8 und
der Interkonnektorschicht 28 verbessert werden.
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Eine
andere, in 6c gezeigte Abwandlung unterscheidet
sich von demjenigen in 6b dadurch, dass nach Aufbringen
einer ersten Schicht der Anode 8 und einer ersten Schicht
des Interkonnektors 28 in oben beschriebener Weise derart,
dass der untere Randbereich der Anode 8 durch einen ringförmigen Verlängerungsabschnitt 28c der
Interkonnektorschicht 28 überdeckt wird, jeweils eine
weitere Schicht der Anode 8, welche den ringförmigen Verlängerungsabschnitt 28c mit
einem Überlappungsabschnitt 8c überdeckt,
eine weitere Schicht des Interkonnektors 28, welche einen
zweiten, die Anode in gleicher Weise wie oben im Bereich des unteren
Endes umgreifenden ringförmigen
Verlängerungsabschnitt 28c' aufweist, und
zuletzt eine dritte Schicht der Anode 8, die wiederum den
zweiten ringförmigen
Verlängerungsabschnitt 28b der
Interkonnektorschicht 28 in einem Überlappungsabschnitt 8c' überdeckt,
aufgebracht wurden. Damit weisen die Anode 8 und der Interkonnektor 28 einen
verzahnten Bereich auf, der eine Verbindung zwischen der Anodenschicht 8 und
dem Interkonnektor 28 verbessert. Auch wenn im untersten
Bereich die außen überlappende
Anodenschicht anoxidieren sollte, werden so die elektrischen Eigenschaften
nicht beeinträchtigt. Wenn
der letzte Schritt mit Ausbildung des zweiten Überlappungsabschnitts 8c' der Anode 8 weggelassen
wird, kann die Anodenschicht wie in der in 6b gezeigten
Abwandlung so weit von einer möglichen
Austrittsstelle von Luft gebracht werden, dass diese gar nicht auf
die Anodenschicht 8 treffen kann.
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Eine
weitere, in 6d gezeigte Abwandlung unterscheidet
sich von demjenigen in 6b dadurch, dass die Anode 8 von
dem zweiten Ende 6 in axialer Richtung zurückgesetzt
ist und die Interkonnektorschicht 28 in einem ersten ringförmigen Verlängerungsabschnitt 28d um
diesen Betrag nach oben um die Elektrolytschicht 10 herumreicht
und diese ringförmig
umgreift und erst dann in einem zweiten ringförmigen Verlängerungsabschnitt 28d', der sich an
den ersten ringförmigen
Verlängerungsabschnitt 28d anschließt, den
unteren Rand der Anodenschicht 28 ringförmig überdeckt. Damit wird das untere
Ende der Anodenschicht 8 noch weiter von der möglichen
Austrittsstelle von Luft entfernt. Es versteht sich, dass diese
Abwandlung mit der in 6c gezeigten Abwandlung kombiniert
werden kann, also mehrere einander überlappende Schichten der Anode 8 und
des Interkonnektors 28 aufgetragen werden können.
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Schließlich wird
in 6e eine Abwandlung gezeigt, bei welcher der Interkonnektor 28 im
Bereich des unteren Endes 6 die Elektrolytschicht 10 in
Form eines ringförmigen
Verlängerungsabschnitt 28e umgreift
und die Anode 8 in diesem Bereich den ringförmigen Verlängerungsabschnitt 28e des
Interkonnektors 28 mit einem Überlappungsabschnitt 8e überdeckt.
Bei diesem Beispiel wird zuerst die Interkonnektorschicht 28 aufgebracht
und dann erst die Anodenschicht 8. Es ist hierbei darauf
zu achten, den Überlappungsabschnitt 8e nicht
ganz bis zum unteren Ende 6 der Brennstoffzelle 1 zu
führen,
sodass wie bei den vorstehenden Abwandlungen eventuell austretende
Luft bereits verbrannt ist, bevor sie auf die Anodenschicht 8 treffen
und diese oxidieren kann. Auch hier können mehrere einander überlappende
Schichten der Anode 8 und des Interkonnektors 28 vorgesehen
sein.
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Die
in den 3, 4, 5 und 6 gezeigten und vorstehend beschriebenen
Abwandlungen beziehen sich auf die Brennstoffzelle 1, bei
welcher die Anode 8, die Elektrolytschicht 10 und
die Kathode 12 von außen
nach innen angeordnet sind. Die gleichen Abwandlungen sind jedoch
auch auf die Brennstoffzelle 100 anwendbar, bei welcher
die Reihenfolge der Schichten in radialer Richtung umgekehrt ist. Die
erforderlichen Anpassungen sind aus der vorstehenden Beschreibung
ohne weiteres ersichtlich.
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In
den bisher gezeigten Ausführungsformen ist
der innere Strömungskanal 16 durch
ein einziges durchgehendes Loch verwirklicht, welches die Interkonnektorschicht 28,
die Isolationsschicht 26 und die Kathodenschicht 12 bzw.
die zweite Kathodenschicht 15 mittig in axialer Richtung
durchdringt. Der Strömungskanal 16 ist
jedoch nicht auf diese Ausführung beschränkt. Gemäß einer
nicht näher
dargestellten Abwandlung ist es auch möglich, dass mehrere ggf. kleinere
Durchgangslöcher
die Brennstoffzelle 1 in axialer Richtung durchdringen,
die auf dem Querschnitt der Brennstoffzelle 1 verteilt
sind, wobei es nicht erforderlich ist, dass eines der Durchgangslöcher genau
in der axialen Mitte der Brennstoffzelle 1 angeordnet ist.
Es ist nur zu beachten, dass die Durchgangslöcher ausschließlich in
einem Querschnittsbereich vorzusehen sind, welcher der Kathodenschicht 12 bzw.
der zweiten Kathodenschicht 15 entspricht. Hierdurch wird
die Kontaktoberfläche
zwischen Brenngas und Kathode vergrößert.
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Besonders
groß wird
die Kontaktoberfläche zwischen
Brenngas und Kathode 12 bzw. zweiter Kathodenschicht 15,
wenn, anstatt Löcher
in der Kathode vorzusehen, die Porosität des Materials der Kathode 12 oder
zumindest der zweiten Kathodenschicht 15 so gewählt wird,
dass sich Gaskanäle
innerhalb derselben bilden. Lediglich innerhalb der Interkonnektorschicht 28 und
der Isolationsschicht 26 sind dann noch Durchgangslöcher erforderlich,
um den Gasstrom von einer Brennstoffzelle 1 zur nächsten zu
gewährleisten.
Ggf. kann die zweite Kathodenschicht 15 an der ersten Stirnseite 4 der
Brennstoffzelle 1 auch etwas zurückgenommen sein, um die Druckverteilung
an der ersten Stirnseite 4 zu vergleichmäßigen. Derzeit
wird jedoch bevorzugt, die Kathodenschicht im Bereich der ersten
Stirnseite 4 so weit wie möglich zu belassen, um möglichst
guten elektrischen Kontakt mit der nächsten Zelle (d.h., mit dem
Interkonnektor 28 der nächsten
Zelle 1) zu gewährleisten.
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In 7 ist
eine Abwandlung der Brennstoffzelle 1 gemäß der ersten
Ausführungsform
schematisch gezeigt, die in ihrem Grundaufbau dem in 3a gezeigten
entspricht und die vorstehenden Überlegungen
verwirklicht. D.h., die Rohrwandung 2 der Brennstoffzelle 1 umfasst
von außen
nach innen die Anode oder Anodenschicht 8, gefolgt von
der Elektrolytschicht 10 als Teil eines auch die Isolationsschicht 26 umfassenden
Elektrolyttopfes 52 und der Kathodenschicht oder Kathode 12,
welche die innerste Schicht der Rohrwandung 2 darstellt.
Die Kathode 12 umfasst eine erste Kathodenschicht 14 und eine
an die erste Kathodenschicht 14 angrenzende zweite Kathodenschicht 15.
Die zweite Kathodenschicht 15 geht bis zur axialen Mitte
der Brennstoffzelle 1 durch (wodurch die rohrförmige Brennstoffzelle 1 auch
als stabförmige
Brennstoffzelle betrachtet werden kann) und ist von Gaskanälen 15a durchzogen,
die sich durch geeignete Wahl der Porosität des Materials der Kathodenschicht 15 bilden
und Teil des inneren Strömungskanals
sind.
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Zusätzlich enthält der zentrale
Teil des inneren Strömungskanals 16 einen
Kern 46, auf welchem die Schichten der Kathoden-, Elektrolyt-
und Anodenschichten leicht aufgebracht werden können. Die Dimensionierung des
Kerns 46 in radialer Richtung ist in Abhängigkeit
z.B. von der Porosität
des Kathodenmaterials so bemessen, dass ein optimales Verhältnis der
Strömungsmengen
im äußeren Strömungskanal 20 und
im inneren Strömungskanal 16, 15a erzielt wird.
Der Kern 46 ist aus einem Material hergestellt, das weniger
porös als
das der zweiten Kathodenschicht 15 ist, und bewirkt, dass
der Strömungswiderstand
in diesem Teil größer ist
als in den Gaskanälen 15a in
der zweiten Kathodenschicht 15. Dadurch wird der Gasstrom
durch die Strömungskanäle 15a in
der zweiten Kathodenschicht 15 gezwungen.
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Der
Kern 46 ist im Bereich des oberen Endes 4 ein
Stück zurückgenommen,
da sonst die Strömung des
Brenngases zur nächsten
Brennstoff zelle 1 (d.h., in den inneren Strömungskanal 16 in
dem Interkonnektor 28 und der Isolationsschicht 26 der
nächsten Brennstoffzelle 1)
blockiert wäre.
Im gezeigten Beispiel ist der dadurch frei werdende Raum durch das Material
der zweiten Kathodenschicht 15 ausgefüllt, er kann aber auch ganz
oder teilweise frei bleiben; dadurch kann je nach Herstellungsweise
u.U. ein zusätzlicher
Arbeitsschritt eingespart werden.
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Die 8, 9 und 10 zeigen
schematisch eine Brennstoffzellenanordnung bzw. Brennstoffzellenstapelanordnung,
die eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Brennstoffzellensäulen 32 umfasst.
Die einzelnen Brennstoffzellensäulen 32 wiederum
bestehen aus einer Mehrzahl von aufeinander gestapelten Brennstoffzellen 1 bzw. 100.
Diese Brennstoffzellensäulen 32 sind
in einem gemeinsamen Wärmetauscherbehälter 34 angeordnet.
Wie insbesondere aus der 8 zu ersehen ist, umfassen die
einzelnen Brennstoffzellensäulen 32 an
ihrem oberen und unteren Ende eine Einrichtung 36 zum Beaufschlagen
mit mechanischem Druck, so dass die einzelnen Brennstoffzellen 1 bzw. 100 in
der jeweiligen Brennstoffzellensäule 32 aufeinander
gedrückt
werden.
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Das
Innere des gemeinsamen Wärmetauscherbehälters 34,
in dem die Brennstoffzellensäule 32 eingetaucht
sind, bilden einen gemeinsamen Dampfraum für ein während des Wärmetransports die Phase wechselndes
Wärmetransportmedium 38, z.B.
in Form von Natrium. Wie insbesondere aus 8 zu ersehen
ist, ist der äußere Strömungskanal 20 für Brenngas 22 oder
Oxidationsmittel 18 durch eine Brennstoffzellenhülle 40 begrenzt.
Im gezeigten Beispiel wird Brenngas 22 der Brennstoffzellenhülle 40 von
unten zugeführt
und strömt
im äußeren Strömungskanal 20 nach
oben, während
die Luft 18 der Anordnung zunächst im oberen Bereich zugeführt wird,
dann in einem den Wärmetauscherbehälter 34 umgebenden
Kanal diesen umströmend
nach unten geleitet und im unteren Bereich der Brennstoffzellenhülle 40 dem
inneren Strömungskanal 16 der
Brennstoffzellen 1, 100 zugeführt wird. In diesem inneren Strömungskanal 16 strömt die Luft
nach oben. Oberhalb der Brennstoff zellensäule werden die Gasströme des inneren
Strömungskanals 16 und
des äußeren Strömungskanals 20 zusammengeführt und
dann gemeinsam abgeführt.
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Die
in der Brennstoffzelle 1, 100 erzeugte Abwärme wird über die
Brennstoffzellenhülle 40 an das
Wärmetransportmedium 38 abgegeben.
Dabei bildet der gemeinsame Wärmetauscherbehälter 34 mit
dem die Phase wechselnden Natrium als Wärmetransportmedium 38 eine
Art Heat-Pipe (Wärmerohr). Das
flüssige
Natrium 38 verdampft an der Brennstoffzellenhülle 40,
strömt
zur Außenseite
des gemeinsamen Wärmetauscherbehälters 34 und
kondensiert dort und gibt dabei Wärme ab. Gleichzeitig kann das dampfförmige Wärmetransportmedium 38 auch
in kühleren
Bereichen der Brennstoffzellenhülle 40 (einem
unteren Bereich in 8) kondensieren, während es
in den Bereichen, in denen sich das Gas in dem äußeren Strömungskanal 20 aufgrund
der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 1, 100 bereits
aufgeheizt hat, (einem oberen Bereich in 8) das flüssige Natrium
verdampft, wodurch die gesamte Brennstoffzellenhülle 40 isotherm gehalten wird.
Zusätzlich
kann das dampfförmige
Wärmetransportmedium 38 die
Wärme auch
an das den Wärmetauscherbehälter 34 umströmende Gas
abgeben, sodass dieses bei Eintritt in den inneren Strömungskanal 16 im
unteren Bereich der Brennstoffzellensäule 32 bereits vorgewärmt ist.
Das gasförmige Natrium 38 kann
aber auch zusätzlich
oder allein an ganz anderer Stelle kondensieren, um seine thermische
Energie nutzbar zu machen.
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Es
versteht sich, dass in dem gemeinsamen Wärmetauscherbehälter 34 nicht
nur Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden
Erfindung, sondern auch bereits im Stand der Technik bekannte tubuläre Brennstoffzellen
angeordnet werden können.
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- 1,
100
- Brennstoffzelle
- 2
- Rohrwandung
- 4
- erste,
obere Stirnseite
- 6
- zweite,
untere Stirnseite
- 8
- Anode(-nschicht)
- 8c
- ringförmiger Überlappungsabschnitt
- 8e
- ringförmiger Überlappungsabschnitt
- 10
- Elektrolyt(-schicht)
- 12
- Kathode(-nschicht)
- 14
- erste
Kathodenschicht
- 15
- zweite
Kathodenschicht
- 15a
- Gaskanäle in der
zweiten Kathodenschicht
- 16
- innerer
Strömungskanal
- 18
- Oxidationsmittel
- 20
- äußerer Strömungskanal
- 22
- Brenngas
- 24
- erste
elektrische Kontaktfläche
- 26
- kreisringförmige Isolationsschicht
- 28
- kreisringförmige Leiterschicht
bzw. Interkonnektor
- 28b
- ringförmiger Verlängerungsabschnitt
- 28c,
28c'
- ringförmiger Verlängerungsabschnitt
- 28d
- erster
ringförmiger
Verlängerungsabschnitt
- 28d'
- zweiter
ringförmiger
Verlängerungsabschnitt
- 28e
- ringförmiger Verlängerungsabschnitt
- 30
- zweite
elektrische Kontaktfläche
- 32
- Brennstoffzellensäule
- 34
- gemeinsamer
Wärmetauscherbehälter
- 36
- Einrichtung
zum Beaufschlagen mit Druck
- 38
- Wärmetransportmedium
- 40
- Brennstoffzellenhülle
- 42
- Kapillarstruktur
- 44
- Keramikstab
- 46
- Kern
(Material hohen Strömungswiderstands)
- 48
- Abstandshalter
- 50
- kragenförmige Verlängerung
- 52
- Elektrolyttopf