DE102011081540A1

DE102011081540A1 - Brennstoffzelle mit verbesserter Stromführung

Info

Publication number: DE102011081540A1
Application number: DE102011081540A
Authority: DE
Inventors: Martin Schubert; Jan Goehler; Ulrich Eisele; Imke Heeren; Matthias Wieler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2013-02-28
Also published as: JP2013045773A; JP6108724B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (1). Die Brennstoffzelle (1) umfasst einen rohrförmigen Funktionskörper (2) mit mindestens zwei elektrisch verschalteten Segmentsträngen (3, 4), wobei jeder der mindestens zwei Segmentstränge (3, 4) wenigstens zwei Elektroden-Elektrolyt-Segmente (5, 6, 7, 8) aufweist. Jede der Elektroden-Elektrolyt-Segmente (5, 6, 7, 8) umfasst eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten. Die Elektroden-Elektrolyt-Segmente (5, 6, 7, 8) eines Segmentstrangs (3, 4) sind dabei in Reihe geschaltet, wobei wenigstens zwei in unterschiedlichen Segmentsträngen (3, 4) angeordnete Elektroden-Elektrolyt-Segmente (5, 7) über einen aus dem Material der Anoden oder aus dem Material der Kathoden ausgebildeten Verbindungsabschnitt (9) elektrisch verbunden sind, insbesondere um die Segmentstränge (3, 4) in Reihe zu schalten. Die Erfindung betrifft ferner ein wenigstens eine Brennstoffzelle (1) umfassendes Brennstoffzellensystem.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
Brennstoffzellen können rohrförmig oder planar ausgestaltet sein. Die Brennstoffzellen der hier interessierenden Art weisen eine rohrförmige Struktur auf, was auch als tubular bezeichnet wird, und sind daher aufgrund ihrer geometrischen Ausgestaltung gegen planar ausgebildete Brennstoffzellen abzugrenzen.
Für eine Stromleitung entlang des Tubus ist es bei tubularen Brennstoffzellen bekannt, Stromsammler zu verwenden. Diese sind meist, um eine geeignete Stromleitung zu realisieren und Ohmsche Verluste zu begrenzen, aus einem besonders leitfähigen Material ausgebildet und beispielsweise als Stromsammlerstab in der Mitte der Gaszuführungslanze angeordnet oder als Schicht oder Steg direkt auf den Tubus aufgebracht. Neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit sollte der Stromsammler dabei eine chemische und thermomechanische Kompatibilität mit den weiteren verwendeten Materialien, wie etwa Anode oder Kathode, aufweisen und auch bei hohen Temperaturen eine Langzeitstabilität bereitstellen.
Aus der Druckschrift EP 1 079 453 B1 ist eine tubulare Brennstoffzelle bekannt, bei der durch eine Dichtstruktur die Abdichtbarkeit der Zelle sowie deren elektrische Charakteristika verbessert werden sollen. Dazu umfasst die Rohrzelle einen Zellenelementfilm, der durch ein Sinterverfahren und durch Ausformen einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode als Filme auf der Oberfläche einer Substratröhre für die Brennstoffzelle ausgebildet ist, wobei ein fester Elektrolyt zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode eingefügt ist. Dabei ist ein Adhäsion verstärkender Film mit großer Oberflächenrauhigkeit auf einem abgedichteten Abschnitt der Rohrzelle angeordnet.
Aus der Druckschrift EP 1 624 521 A1 ist ferner eine Festoxidbrennstoffzelle beziehungsweise ein Verfahren zum Herstellen einer Festoxidbrennstoffzelle bekannt. Die Brennstoffzelle umfasst eine Vielzahl von Zellen, welche jeweils eine Brennstoffelektrode, einen Elektrolyten und eine Luftelektrode umfassen. Die Zellen sind dabei auf einem isolierenden Substrat mit beispielsweise rohrförmigen Querschnitt angeordnet. Zueinander benachbarte Zellen sind seriell elektrisch miteinander verbunden durch Interkonnektoren, welche jeweils die Brennstoffelektrode einer ersten Zelle mit der Luftelektrode einer weiteren Zelle verbinden.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle, umfassend einen rohrförmigen Funktionskörper mit mindestens zwei elektrisch verschalteten Segmentsträngen, wobei jeder der mindestens zwei Segmentstränge wenigstens zwei, jeweils eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten umfassende, Elektroden-Elektrolyt-Segmente aufweist, wobei die Elektroden-Elektrolyt-Segmente eines Segmentstrangs in Reihe geschaltet sind, und wobei wenigstens zwei in unterschiedlichen Segmentsträngen angeordnete Elektroden-Elektrolyt-Segmente über einen aus dem Material der Anoden oder aus dem Material der Kathoden ausgebildeten Verbindungsabschnitt elektrisch verbunden sind, insbesondere um die Segmentstränge in Reihe zu schalten.
Ein Funktionskörper kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Element beziehungsweise ein Körper sein, welcher der Brennstoffzelle ihre Funktion verleiht, also für die Bereitstellung von Energie dient. Zur Bereitstellung von Energie dient bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle insbesondere ein Elektroden-Elektrolyt-Segment, welches eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten umfasst. Ein derartiges Segment kann bei einer Brennstoffzelle in an sich bekannter Weise durch elektrochemische Prozesse der Anode, der Kathode und des Elektrolyten Energie liefern.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Funktionskörper mindestens zwei elektrisch verschaltete Segmentstränge aufweist, wobei jeder der mindestens zwei Segmentstränge wenigstens zwei Elektroden-Elektrolyt-Segmente aufweist, die in Reihe geschaltet sind. Folglich kann der Funktionskörper mindestens vier Elektroden-Elektrolyt-Segmente aufweisen. Jedes der Elektroden-Elektrolytsegmente umfasst dabei eine Anode, eine Kathode und einen zwischen diesen Elektroden angeordneten Elektrolyt. Durch das Vorsehen einer derartigen Mehrzahl an Elektroden-Elektrolyt-Segmenten kann der Funktionskörper in geeigneter Weise an ein jeweiliges Anwendungsgebiet angepasst werden. Insbesondere sind Strom- und Spannungswerte der Brennstoffzelle wie gewünscht einstellbar. Durch das Vorsehen der elektrisch verschalteten Elektroden-Elektrolyt-Segmente in unterschiedlichen Strängen ist dabei eine noch weitere Anwendungsvielfalt beziehungsweise Einstellbarkeit gegeben.
Um einen unerwünschten Einfluss der mindestens zwei Segmentstränge aufeinander auszuschließen, können die Segmentstränge als solche ferner zumindest teilweise elektrisch und ionisch voneinander isoliert sein. Teilweise voneinander isoliert im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann dabei insbesondere bedeuten, dass die einzelnen Segmentstränge lediglich über eine gewollte elektrische Verbindung, wie etwa den Verbindungsabschnitt, elektrisch miteinander verbunden sind. Dabei können ferner insbesondere die Anoden- und Kathodenbereiche unterschiedlicher Segmentstränge beziehungsweise ihrer Elektroden-Elektrolyt-Segmente elektrisch und ionisch voneinander isoliert sein, um beispielsweise einen Kurzschluss zu verhindern. Die Elektrolytbereiche der unterschiedlichen Segmentstränge beziehungsweise ihrer Elektroden-Elektrolyt-Segmente können ferner bevorzugt ionisch aber auch elektronisch voneinander isoliert sein. Es ist folglich möglich, die wenigstens zwei Segmentstränge beziehungsweise ihre Elektroden-Elektrolyt-Segmente vollständig elektronisch und ionisch voneinander zu isolieren oder einen geeigneten elektrischen, ionischen oder elektrischen und ionischen Isolator nur an den notwendigen Stellen vorzusehen. Eine elektrische Isolierung kann dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass in diesem Bereich keine oder nur eine unwesentliche elektrische Leitfähigkeit vorliegt, wobei eine ionische Isolierung im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten kann, dass in diesem Bereich keine oder nur eine unwesentliche ionische Leitfähigkeit vorliegt.
Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass der Funktionskörper rohrförmig ausgestaltet ist und somit eine rohrförmige, beziehungsweise tubulare Brennstoffzelle ausbildet. Dabei kann unter einem rohrförmigen Funktionskörper insbesondere ein holzylinderförmiger Körper mit einer im Wesentlichen runden, beispielswiese kreisförmigen, ovaloiden oder polygonen Grundfläche verstanden werden. Der Funktionskörper kann ferner an sich bereits eine geeignete Stabilität aufweisen, so dass das Vorsehen eines Trägerkörpers nicht notwendig ist. Auf diese Weise kann das Herstellungsverfahren besonders einfach und kostengünstig gestaltet werden. Dabei kann der rohrförmige Funktionskörper seine Stabilität durch einen oder beide der Elektroden und/oder durch den Elektrolyten erhalten. In anderen Worten kann der Funktionskörper Elektroden geträgert oder Elektrolyt geträgert sein. Grundsätzlich ist jedoch auch eine inertgeträgerte Ausgestaltung des Funktionskörpers im Rahmen der Erfindung möglich.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle weist erfindungsgemäß ferner eine besonders vorteilhafte elektrische Verbindung mindestens zweier in unterschiedlichen Segmentsträngen angeordneter Elektroden-Elektrolyt-Segmente auf. Im Detail sind erfindungsgemäß wenigstens zwei in unterschiedlichen Segmentsträngen angeordnete Elektroden-Elektrolyt-Segmente über einen aus dem Material der Anoden oder aus dem Material der Kathoden ausgebildeten Verbindungsabschnitt elektrisch miteinander verbunden. Dabei kann die elektrische Verbindung im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise durch einen mit einer Anode oder einer Kathode einstückig ausgebildeten Verbindungsabschnitt realisiert werden, wodurch der Verbindungsabschnitt als Teil einer Anode oder Kathode ausgebildet sein kann, oder die entsprechenden Elektroden sind mit dem Verbindungsabschnitt elektrisch leitend verbunden. Ein Verbindungsabschnitt kann dabei insbesondere ein Bereich sein, der trotz seiner Ausbildung aus dem Anodenmaterial beziehungsweise Kathodenmaterial nicht oder nicht wesentlich zur Erzeugung von elektrischer Energie dient, sondern als Hauptaufgabe die elektrische Verbindung zweier Elektroden-Elektrolyt-Segmente aufweist. Dies kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise daran erkannt werden, dass der entsprechende Bereich nicht gegenüberliegend zu einem komplementären Bereich angeordnet ist, also beispielsweise in direkter Nachbarschaft von Anodenmaterial kein Kathodenmaterial oder umgekehrt vorhanden ist, oder dass etwa in dem Bereich des Verbindungsabschnitts eine größere Oberfläche und/oder ein größeres Volumen des Anodenmaterials im Vergleich zu Kathodenmaterial oder umgekehrt vorliegt. Durch die vorbeschriebene elektrische Verbindung kann dabei insbesondere eine Reihenschaltung der mindestens zwei Segmentstränge realisiert werden.
Dabei ist die elektrische Verbindung nicht auf ein besonderes Elektrodenmaterial beschränkt. Erfindungsgemäß kann vielmehr vorgesehen sein, dass die elektrische Verbindung, welche zwei Elektroden-Elektrolyteinheiten elektrisch miteinander verbindet, aus dem Material beziehungsweise aus dem Stoff oder Stoffgemisch ausgebildet ist, aus dem wenigstens eine Elektrode der beiden zu verbindenden Elektroden-Elektrolyteinheiten ausgebildet ist.
Das Anodenmaterial kann dabei beispielsweise gasdurchlässig oder gasundurchlässig sein, wobei die Gasdurchlässigkeit durch die Einstellung einer geeigneten Porosität des Anodenmaterials einstellbar ist. Als Anodenmaterial eignen sich insbesondere Materialien, welche elektrisch leitend sind und ferner ionisch leitend sein können. Der Vorteil eines ionisch leitenden Anodenmaterials liegt in der Bildung eines zweidimensionalen Reaktionsraums, wodurch eine Reaktion auf der gesamten Oberfläche des Anodenmaterials stattfinden kann und nicht auf die Dreiphasengrenze beschränkt ist. Ein Beispiel für ein elektrisch leitendes und ionisch nicht leitendes Material, aus welchem die Anode bestehen beziehungsweise welches sie umfassen kann, ist beispielsweise Nickel. Ein Beispiel für ein elektrisch und ionisch leitendes Material, aus welchem die Anode bestehen beziehungsweise welches sie umfassen kann, ist beispielsweise Nickel in einer Mischung mit yttriumstabilisierten Zirconiumdioxid (YSZ).
Das Kathodenmaterial kann beispielsweise gasdurchlässig oder gasundurchlässig sein, wobei die Gasdurchlässigkeit durch die Einstellung einer geeigneten Porosität des Kathodenmaterials einstellbar ist. Als Kathodenmaterial eignen sich insbesondere Materialien, welche elektrisch leitend sind und ferner ionisch leitend sein können. Der Vorteil eines ionisch leitenden Kathodenmaterials liegt in der Bildung eines zweidimensionalen Reaktionsraums, wodurch eine Reaktion auf der gesamten Oberfläche des Kathodenmaterials stattfinden kann und nicht auf die Dreiphasengrenze beschränkt ist. Ein Beispiel für ein elektrisch leitendes und ionisch nicht leitendes Material, aus welchem die Kathode bestehen beziehungsweise welches sie umfassen kann, ist beispielsweise Lanthanstrontiummanganat (LaSrMn, LSM). Ein Beispiel für ein elektrisch und ionisch leitendes Material, aus welchem die Kathode bestehen beziehungsweise welches sie umfassen kann, ist beispielsweise Lanthanstrontiumcobaltferrit (LSCF).
Ein Ausbilden des Verbindungsabschnitts aus dem Anodenmaterial beziehungsweise Kathodenmaterial kann hier insbesondere bedeuten, dass der Verbindungsabschnitt aus dem entsprechenden chemischen Material beziehungsweise Stoff oder Stoffgemisch ausgebildet ist. Die Porosität, also insbesondere die Gasdurchlässigkeit, beispielsweise, kann dabei bei einem Einsatz des Anoden- oder Kathodenmaterials als Elektrode eine andere sein als bei einem Einsatz als Verbindungsabschnitt.
Dabei wird erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen, dass etwa zwischen einer Anode und dem Verbindungsabschnitt oder einer Kathode und dem Verbindungsabschnitt weitere elektrische Verbindungseinheiten angeordnet sein können. In letzterem Fall sind die entsprechenden Elektroden-Elektrolyt-Segmente indirekt durch den Verbindungsabschnitt miteinander verbunden.
Durch die vorbeschriebene elektrische Verbindung zweier Elektroden-Elektrolyt-Segmente kann die Stromführung beziehungsweise der Stromfluss in der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffzellen deutlich verbessert werden. Dadurch, dass das Anodenmaterial oder das Kathodenmaterial zusätzlich zur Anodenfunktion zum elektrischen Zusammenschalten von zwei Elektroden-Elektrolyt-Segmenten dient und damit im Wesentlichen die Funktion eines Stromsammlers übernimmt, kann ein Stromfluss ohne das Vorsehen von meist kostenintensiven Stromsammlern realisiert werden. Ferner kann ein besonders einfaches Herstellungsverfahren, etwa durch einen Druckvorgang, realisiert werden. Die elektrische Verbindung kann dabei in einem Schritt mit dem Aufbringen des Elektrodenmaterials, beispielsweise während eines Druckvorgangs, erfolgen.
Ferner können thermomechanische Probleme durch eine verhältnismäßig einfache Geometrie und verminderte Grenzschichten unterschiedlicher Materialien reduziert oder ganz verhindert werden.
Im Rahmen einer Ausgestaltung können die wenigstens zwei Segmentstränge bezogen auf die Achse des rohrförmigen Funktionskörpers in axialer Richtung ausgerichtet und durch eine bezogen auf die Achse des rohrförmigen Funktionskörpers in axialer Richtung verlaufende gasdichte Nahtstelle zumindest teilweise ionisch und elektrisch voneinander isoliert sein. In dieser Ausgestaltung kann eine Unterteilung der Funktionsschichten beziehungsweise des Funktionskörpers längs des Tubus realisiert werden, so dass im Wesentlichen zwei Halbtuben entstehen können. So können insbesondere parallele Stromflussrichtungen in den jeweiligen Segmentsträngen erzielt werden, die erfindungsgemäß auch ohne das Vorhandensein eines insbesondere axialen Stromsammlers in axialer Richtung verlaufen. In dieser Ausgestaltung kann somit ein insbesondere entlang einer axialen Richtung des rohrförmigen Funktionskörpers verlaufende Stromrichtung erzielt werden, wobei eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle aufgrund der kurzen Wege des Stromflusses besonders geeignet ist.
Dabei kann die Richtung des Stromflusses in den wenigstens zwei Segmentsträngen insbesondere zu einander gegenläufig sein. In dieser Ausgestaltung kann der Strom insbesondere einen Halbtubus hinauf und den anderen Halbtubus hinunter geführt werden beziehungsweise fließen. Auf diese Weise kann insbesondere das elektrische Zusammenschalten einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Brennstoffzellen erleichtert werden, was die Anwendungsbreite noch weiter erhöht. In dieser Ausgestaltung ist die Positionierung des Verbindungsabschnitts ferner in weiten Bereichen wählbar, so dass eine große Freiheit in der Konstruktion der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle besteht.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die elektrische Verbindung zwischen den unterschiedlichen Segmentsträngen neben dem Verbindungsabschnitt einen Konnektor umfassen und/oder kann eine Anode eines Elektroden-Elektrolyt-Segments mit einer Kathode eines anderen Elektroden-Elektrolyt-Segments desselben Segmentstrangs durch einen Konnektor elektrisch verbunden sein. Ein derartiger Konnektor kann in sehr kleinen Dimensionen gehalten werden und nur eine räumlich begrenzte Verbindung herstellen, wodurch Kosten bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle eingespart werden können. Eine erzielbare Kostenersparnis kann dabei noch dadurch vergrößert werden, dass ein Elektroden-Elektrolyt-Segment lediglich aus einer Anode, einer Kathode, einem Elektrolyt und einem Konnektor als Verbindungselement bestehen kann. Auf diese Weise kann auf weitere Elemente verzichtet werden, ohne die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle zu reduzieren. Ferner kann durch eine Einsparung an benötigten Elementen ein Herstellungsverfahren vereinfacht werden. In ersterem Fall einer Verbindung von Elektroden-Elektrolytsegmenten unterschiedlicher Segmentstränge kann dabei der Konnektor somit als zusätzliches Element neben dem aus dem Anodenmaterial oder dem Kathodenmaterial gebildeten Verbindungsabschnitt dienen, um beispielsweise eine Reihenschaltung zu realisieren. Im Fall einer Verbindung von Elektroden-Elektrolytsegmenten desselben Segmentstrangs kann der Konnektor dagegen somit als alleiniges Element zu einer Reihenschaltung der entsprechenden Elektronen-Elektrolyteinheiten dienen. Die Konnektoren können dabei besonders bevorzugt gleich ausgestaltet sein, was ein besonders einfaches Herstellungsverfahren erlaubt.
Der Konnektor beziehungsweise die Konnektoren können insbesondere aus einem elektrisch leitenden und ionisch isolierenden Material ausgebildet sein oder ein derartiges Material umfassen. Darüber hinaus kann der Konnektor insbesondere aus einem Material ausgebildet sein oder dieses umfassen, das gasdicht ist. Beispielsweise kann der Konnektor aus Lanthanchromit (LaCro₃), Zinkoxid (ZnO), Platin (Pt) oder einem nicht ionisch leitenden Anoden- oder Kathodenmaterial ausgebildet sein oder dieses Material umfassen.
Der Konnektor beziehungsweise die Konnektoren können somit aus einem elektrisch leitenden Material, wie etwa dem Anoden- oder Kathodenmaterial ausgebildet sein, wobei das Material insbesondere gasdicht und nicht ionisch leitend ist. Auf diese Weise kann eine geeignete Verbindung zwischen den jeweiligen Elektroden der Elektroden-Elektrolyt-Segmente bereitgestellt werden, wobei eine insbesondere ionische Verbindung zwischen den entsprechenden Elektrolyten der Elektroden-Elektrolyt-Segmente so verhindert werden kann. Dadurch können Störeinflüsse der Elektroden-Elektrolyt-Segmente verhindert werden. Darüber hinaus kann dadurch, dass die Konnektoren aus dem Anoden- oder Kathodenmaterial gebildet sein können, eine besonders einfache Herstellung realisiert werden, wobei die entsprechenden Bauteile der Elektroden-Elektrolyt-Segmente in geeigneter Weise voneinander ionisch isoliert werden beziehungsweise bleiben. Eine Gasdurchlässigkeit beziehungsweise Gasdichtheit kann dabei beispielsweise durch eine geeignete Einstellung der Porosität des gleichen Materials beziehungsweise des gleichen chemischen Stoffes oder Stoffgemisches erzielt werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Brennstoffzelle eine Schichtanordnung mit einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht und einer Elektrolytschicht aufweisen. Dies ist eine besonders einfach herstellbare Anordnung, um die Elektroden-Elektrolyt-Segmente beziehungsweise den Funktionskörper der Brennstoffzelle herzustellen. Im Detail ist es so möglich, eine Struktur aus Anode, Kathode und dazwischen angeordnetem Elektrolyt zu formen, welche problemlos auch in rohrförmiger beziehungsweise tubularer Form vorgesehen sein kann. Ferner können herkömmliche Herstellungsverfahren, wie etwa Druckverfahren angewandt werden, um die erfindungsgemäße Brennstoffzelle herzustellen. Dabei können in geeigneter Weise lediglich die einzelnen Schichten nacheinander aufgebracht werden, wobei gegebenenfalls geeignete Isolierungen eingearbeitet werden können.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können sind in der Anodenschicht Anodenbereiche ausgebildet sein, welche die Anoden der Elektroden-Elektrolyt-Segmente bilden, wobei ein Anodenbereich von einem anderen Anodenbereich durch einen elektrisch und ionisch isolierenden Bereich getrennt ist.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können in der Kathodenschicht Kathodenbereiche ausgebildet sein, welche die Kathoden der Elektroden-Elektrolyt-Segmente bilden, wobei ein Kathodenbereich von einem anderen Kathodenbereich durch einen elektrisch und ionisch isolierenden Bereich getrennt ist.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können in der Elektrolytschicht Elektrolytbereiche ausgebildet sein, welche die Elektrolyten der Elektroden-Elektrolyt-Segmente bilden, wobei ein Elektrolytbereich von einem anderen in dem selben Segmentstrang angeordneten Elektrolytbereich durch einen ionisch isolierenden Bereich getrennt ist und/oder ein Elektrolytbereich von einem anderen in einem anderen Segmentstrang angeordneten Elektrolytbereich durch einen elektrisch und ionisch isolierenden, gasdichten Bereich getrennt ist.
In diesen Ausgestaltungen können die Elektroden-Elektrolyt-Segmente vorteilhafterweise besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden, wobei eine besonders große Anpassbarkeit an die gewünschte Anwendung, insbesondere durch Einstellung der Anzahl, Größe und Form der einzelnen Anodenbereiche, Kathodenbereiche beziehungsweise Elektrolytbereiche möglich ist. Ferner lassen sich auf diese Weise auch komplexe Strukturen durch einfache Herstellungsverfahren, wie etwa Druckverfahren, realisieren.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der elektrisch und ionisch isolierende Bereich zur Trennung der Anodenbereiche und/oder der Kathodenbereiche durch Luft oder eine mit Luft gefüllte Aussparung gebildet ist, und/oder dass der elektrisch und ionisch isolierende Bereich zur Trennung der in unterschiedlichen Segmentsträngen angeordneten Elektrolytbereiche durch einen Festkörperisolator, insbesondere Aluminiumoxid gebildet ist und/oder dass der ionisch isolierende Bereich zur Trennung der in demselben Segmentstrang (3, 4) angeordneten Elektrolytbereiche weiterhin elektrisch leitend ist und durch einen Konnektor gebildet ist. Luft ist zum einen ein guter elektrischer Isolator und weist dabei keine Anforderungen bezüglich einer geeigneten Herstellung oder Geometrie auf. Darüber hinaus kann auf teilweise kostenintensive Isolatoren verzichtet werden, was die erfindungsgemäße Brennstoffzelle besonders kostengünstig gestaltet. Darüber hinaus ist beispielsweise Aluminiumoxid ein kostengünstiger Isolator, der sowohl eine elektrische wie auch eine ionische Isolation realisiert beziehungsweise eine gewünschte elektrische und ionische Isolationsfähigkeit aufweist. In dieser Ausgestaltung kann nur ein Isolator verwendet werden, der sowohl ionisch, als auch elektrisch isolierend ist, was Kosten spart. Ferner ist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle auch in dieser Ausgestaltung mit einem Feststoffisolator wie oben beschrieben durch an sich bekannte Herstellungsschritte beispielsweise in einem vorbeschriebenen Schichtenaufbau leicht herstellbar. Mit Bezug auf eine Verwendung des Konnektors als ionisch isolierenden Bereich kann die Herstellung weiter vereinfacht werden, da insbesondere ein ohnehin verwendetes Material in einem Arbeitsschritt verwendbar ist und somit weitere Materialien und Arbeitsschritte eingespart werden können.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung können ein in der Anodenschicht angeordneter Anodenbereich eines Elektroden-Elektrolyt-Segments und ein in der Kathodenschicht angeordneter Kathodenbereich eines anderen Elektroden-Elektrolyt-Segments teilweise überlappend angeordnet sein, wobei in dem überlappenden Bereich ein Konnektor in der Elektrolytschicht angeordnet ist. Dabei kann der Konnektor insbesondere ausschließlich in der Elektrolytschicht ausgebildet sein und/oder nicht in die Anoden- und/oder Kathodenschicht hineinragen. Auf diese Weise kann eine Verbindung der einzelnen Elektroden-Elektrolyt-Segmente besonders kompakt ausgeführt werden, wodurch Platz gespart werden kann. Darüber hinaus kann der Konnektor beispielsweise nur in der Elektrolytschicht angeordnet sein, wodurch Material und damit Kosten eingespart werden können. Dabei ist diese Ausgestaltung vorteilhafterweise mit Beschichtungsverfahren, wie etwa Druckverfahren, auf einfache Weise ausbildbar.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass auf den Außenflächen der Elektroden der Elektroden-Elektrolyt-Segmente keine Stromkollektoren zum elektrischen Kontaktieren der Elektroden aufgebracht sind, welche aus einem anderen elektrisch leitenden Material als dem Anoden- und Kathodenmaterial ausgebildet sind, und/oder dass die Brennstoffzelle keinen Längsstromkollektor zum Zusammenschalten einer Vielzahl von Elektroden-Elektrolyt-Segmenten aufweist, welcher bezogen auf die Achse des Funktionskörpers in axialer Richtung angeordnet und aus einem anderen elektrisch leitenden Material als dem Anoden- und Kathodenmaterial ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle weist somit keinen insbesondere mit Bezug auf die Tubusachse axialen Stromsammler auf, wodurch erfindungsgemäß verkürzte Stromleitungswege realisierbar sind und ein Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle einfacher und kostengünstiger gestaltet werden kann. Teils aufwändige gesonderte Schritte zur Anbringung und Kontaktierung des Stromsammlers können entfallen. Ferner kann das Material des Stromsammlers eingespart werden was besonders vorteilhaft ist, da an das Material des oder der Stromsammler hohe Anforderungen zu stellen sind. Erfindungsgemäß kann der Strom vielmehr fließen durch eine Anordnung umfassend oder bestehend aus Anode, Kathode, Elektrolyt und Konnektor.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Funktionskörper als einseitig geschlossener Tubus ausgestaltet sein. In dieser Ausgestaltung kann eine geeignete Trennung von Brennstoffseite und Luftseite realisiert werden, wobei in besonders vorteilhafter Form die Brennstoffseite in der Innenseite des Tubus ausgebildet ist. Insbesondere, wenn der einseitig geschlossene Tubus an seiner geöffneten Seite auf einem Trägersubstrat angeordnet ist, kann auf einfache Weise die Außenseite beziehungsweise Luftseite mit Luft umspült werden, wohingegen die Innenseite beziehungsweise Brennstoffseite mit beispielsweise Wasserstoff umspült werden kann. Dadurch kann selbst bei der Verwendung von potentiell sicherheitskritischen Stoffen, wie etwa Wasserstoff, als Brennstoff eine Gefährdung minimiert oder sogar gänzlich ausgeschlossen werden. Dabei kann der Tubus entweder durch den Funktionskörper selbst oder aber durch ein anderes Material, wie etwa Glas geschlossen sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Funktionskörper auf einem rohrförmigen Trägerkörper angeordnet sein. Dadurch kann die Stabilität der Brennstoffzelle noch weiter verbessert werden, wobei eine größere Variabilität mit Bezug auf Elektrodenmaterial und Elektrolytmaterial beziehungsweise deren Dicken und Ausgestaltung möglich ist. Die Stabilität der Brennstoffzelle beziehungsweise des Tubus kann dabei insbesondere von dem Trägerkörper ausgehen. Der Trägerkörper kann beispielsweise ein, insbesondere inertes, keramisches und/oder glasartiges Material umfassen oder aus diesem ausgebildet sein. Ein inertes Material kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Material sein, das nicht an einer elektrochemischen Reaktion, beispielsweise durch Ionenleitung, wie etwa der Elektrolyt, beteiligt ist und/oder nicht als Elektrode dient. In diesem Fall kann die Brennstoffzelle auch als eine intergeträgerte Brennstoffzelle bezeichnet werden. Das Material des Trägerkörpers kann insbesondere ionisch isolierend, insbesondere ionisch isolierend und elektrisch isolierend, sein.
Insbesondere kann der Trägerkörper ein Magnesiumsilikat (Mg₂SiO₄), insbesondere Forsterit, umfassen oder aus diesem ausgebildet sein.
Ein Anordnen des Funktionskörpers auf einem rohrförmigen Trägerkörper kann dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl bedeuten, dass der Funktionskörper innerhalb beziehungsweise auf einer Innenseite des Trägerkörpers und/oder außerhalb beziehungsweise auf einer Außenseite des Trägerkörpers, insbesondere daran angrenzend, angeordnet sein kann. Insbesondere kann die Kathodenschicht des Funktionskörpers an den Trägerkörper angrenzen. Die Anodenschicht des Funktionskörpers kann dabei insbesondere vom Innenraum beziehungsweise von Außerhalb des Trägerkörpers aus zugänglich sein.
Der Trägerkörper kann insbesondere in dem oder in den an den Funktionskörper angrenzenden Abschnitt/en gasdurchlässige Poren und/oder Öffnungen, insbesondere Poren, aufweisen. In dem oder in den Abschnitten, welche frei von Elektroden-Elektrolyt-Segment/en beziehungsweise nicht belegt mit dem Funktionskörper sind, kann der Trägerkörper insbesondere gasdicht ausgestaltet sein.
Zum Beispiel kann der Trägerkörper an mindestens einem offenen Rohrende, insbesondere an einem oder an beiden offenen Rohrende, einen Fußabschnitt zum Befestigen der Brennstoffzelle an einem Trägersubstrat aufweisen, welcher auch als Montageflansch beziehungsweise Gasanschlussflansch bezeichnet werden kann. Dabei kann insbesondere der Fußabschnitt gasdicht ausgestaltet sein.
Zusätzlich dazu, insbesondere im Fall eines als Fußabschnitt ausgebildeten offenen Rohrendes, kann der Trägerkörper an einem (dem anderen) Rohrende durch einen Kappenabschnitt verschlossen sein. Dabei kann der Kappenabschnitt insbesondere gasdicht ausgestaltet sein.
Dabei kann die Herstellung eines Trägerkörpers etwa in Form eines Tubus aus dem Material Forsterit, etwa mit einer hohlzylindrischen Wand, zu einem hochporösen Bereich führen. Bodenseitig kann etwa ein Fußabschnitt, welcher auch als Montageflansch bezeichnet werden kann an dem Trägerkörper angeordnet werden. Kopfseitig kann ein gasdicht geformter Kappenabschnitt, der auch als Tubuskappe bezeichnet werden kann, zum gasdichten Verschließen des Trägerkörpers angeordnet werden. Der Funktionskörper kann auf der Innenseite des Tubus auf Höhe des porösen Bereichs platziert sein. Der Trägerkörper kann in dieser Ausgestaltung sozusagen als elektrochemisch inerter Träger für die Funktionsschichten beziehungsweise den Funktionskörper fungieren, da das Material nicht an einer elektrochemischen Reaktion teil nimmt. Dadurch können sehr dünne Schichten realisiert werden, was eine Einsparung an Material der einzelnen Funktionsbereiche bedeutet. Dadurch können insbesondere Kosten eingespart werden. Aufgrund des Trägerkörpers kann der Funktionskörper in dieser Ausgestaltung mit einer geringeren Systemschichtdicke gefertigt werden. Insbesondere kann dabei die Schichtdicke der Elektrolytschicht verringert werden. Beispielsweise kann die Elektrolytschicht eine Schichtdicke in einem Bereich von ≥ 10 µm bis ≤ 20 µm, beispielsweise 15 μm aufweisen. Dadurch werden Dauerbetriebstemperaturen von lediglich etwa 750 °C möglich.
Zur Inbetriebnahme kann das Brenngas in das Innere des Tubus beziehungsweise des Trägerkörpers geleitet werden und trifft dort auf die Anode. Die Luft als Reaktionspartner gelangt durch den porösen Trägerkörper, wie insbesondere dem Forsterit-Tubus, zur Kathode. Bei diesem Konzept können alle Funktionsschichten des Funktionskörpers auf der Brenngasseite liegen.
Der Funktionskörper kann beispielsweise über ein Verfahren der Folienhinterspritzung direkt während eines Spritzprozesses mit einem Trägerkörpergrünkörper, beispielsweise aus Forsterit, verbunden beziehungsweise an diesem fixiert werden, so dass Fertigungsschritte eingespart werden können.
Forsterit kann vorteilhafterweise mit einem spezifischen Widerstand von 10¹¹ Ωm (20 °C) und 10⁵ Ωm (600°C) elektrisch hoch isolierend sein, weshalb bei einem Funktionskörperaufbau keine elektronischen oder ionischen Kurzschlüsse zu erwarten sind und somit auf zusätzliche Isolationsschichten verzichtet werden kann.
Der Forsterit kann ferner auf die Funktionskörpermaterialien hinsichtlich des Sinterverhaltens, wie beispielsweise Schwindung oder Sinterkinetik, und des thermischen Ausdehnungsverhaltens (ca. 10 – 11·10^–6K^–1) abgestimmt sein, wodurch eine Cosinterung des gesamten Verbundes möglich ist. Es wird daher nur noch ein Sinterschritt anstelle der üblicherweise erforderlichen zwei Sinterschritte zur Herstellung einer Zelle benötigt, was eine weitere Kostenersparnis mit sich bringen kann.
Forsterit in seiner hochreinen Form kann ferner über eine Reaktionssinterung aus ausgesprochen kostengünstigen Rohstoffen, wie Talk und einem oder mehreren Magnesiumverbindungen, insbesondere Magnesiumsalzen, wie Magnesiumoxid, gewonnen werden und trägt somit zur Kosteneinsparung bei der Zellenherstellung bei.
Im Detail kann zur Herstellung des Trägerkörpers Forsterit zuerst über eine Reaktionssinterung aus Talk (Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂) und einer Magnesiumverbindung, wie Magnesiumoxid (MgO), nach folgender Reaktion gewonnen werden: Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂ + 5MgO → 4Mg₂SiO₄ + H₂O
Dies kann insbesondere über einen gemeinsamen Mahlprozess beider Rohstoffkomponenten in einer Hochenergiemühle miteinander realisiert werden, um beispielhafte Korngrößen von ≤ 4 µm, insbesondere ≤ 3 μm, für eine saubere Forsteritbildung und die spätere Cosinterbarkeit einzustellen. Die Forsteritbildung kann dabei insbesondere durch eine Kalzination des Mahlgutes erfolgen, wodurch der Rohstoff vorteilhafterweise zu einer Spritzgusskomponente verarbeitbar wird.
Zur Vermeidung der Bildung von freiem SiO₂, das mit der Kathode während der Cosinterung chemisch reagieren und somit zum Funktionsverlust führen kann, kann es vorteilhaft sein, einen überstöchiometrischen Anteil an Magnesiumoxid von insbesondere ≥ 0,25 % bis ≤ 0,75 %, beispielsweise von 0,5 % einzustellen. Neben Magnesiumoxid sind auch andere Magnesium-Rohstoffe, wie Magnesiumhydroxid (Mg(OH)₂) und/oder Magnesiumcarbonat (MgCO₃) einsetzbar. Durch die Kalzination kann die mineralogische Plättchenstruktur des Talks zerstört und eine Neubildung zu Forsterit eingeleitet werden. Die resultierende, beispielsweise globulare Teilchenform erlaubt variable Feststoffgehalte in der Komponente, wodurch eine Anpassung der Schwindung zu dem Funktionskörper möglich wird. Zur Herstellung von gasdichten Trägerkörperabschnitten kann eine dicht sinternde (Spritzguss-)Komponente (Compound) eingesetzt werden, welche organischen Bestandteilen, Bindern und/oder Weichmachern, einen Forsteritanteil von insbesondere ≥ 25 Vol.-% bis ≤ 75 Vol.-%, beispielsweise 56 Vol.-% enthalten kann. Zur Herstellung von porösen Trägerkörperabschnitten kann hingegen eine porös sinternde (Spritzguss-)Komponente eingesetzt werden, welcher ein Anteil an einem oder mehreren, insbesondere organischen, Porenbildner zugesetzt werden kann. Diese können während der thermischen Prozesse nach der Formgebung durch den Keramikspritzguss (CIM) ausgebrannt werden und perkolierende Hohlräume hinterlassen.
Der Porenbildner kann beispielsweise Phenolharz-Kurzfasern mit einer Größe von ≥ 100 µm × 10 µm bis ≤ 300 µm × 30 µm, beispielsweise 200 µm × 20 μm umfassen. So kann vorteilhafterweise ein perkolierendes Porennetzwerk mit einer Durchgangsverteilung von ≥ 2,5 µm bis ≤ 7,5 µm, beispielsweise 5 μm erzielt werden. Auf Grund dieser Porendurchgangsverteilung wird eine freie Gasdiffusion insbesondere ohne Knudsen-Effekt ermöglicht. Weitere faserförmige Porenbildner können Cellulosen sein, aber auch sphärische Porenbildner aus Stärkemehl, Duroplastpulver oder Glaskohlenstoff sind denkbar.
Die Darstellung des gesamten Verbunds kann über einen Mehrkomponentenspritzguss erfolgen, bei dem zuerst die porös sinternde Komponente zu einer geometrisch definierten Röhre geformt werden kann. Bei diesem Schritt kann zuvor der Funktionskörper (Inmould Label) in das Werkzeug eingelegt werden, welcher dann von der porös sinternden Komponente angeströmt wird, Dabei kann eine innige Verbindung des Funktionskörpers mit der Komponente stattfinden. Im zweiten Schritt können dann der Kappenabschnitt und/oder der oder die Fußabschnitte der dicht sinternden Komponente angespritzt werden. Zur Vermeidung einer Trennung beider Materialien in Form von Rissbildung oder ähnlichem während der thermischen Prozesse oder dem späteren Betrieb ist es von Vorteil, formschlüssige Verbindungsprofile im Bereich der Verbindung beider Materialien vorzusehen, welche problemlos mittels Keramik-Spritzguss dargestellt werden können. Es sind wellenförmige oder Nut-und-Feder-Profile, aber auch frei konfigurierbare Hinterschneidungen möglich. Nach dem Spritzprozess kann auf diese Weise eine Zelle mit integrierten Funktionsschichten vorliegen.
Die anschließende Entbinderung und Cosinterung des gesamten Tubus kann bei Temperaturen von ≤ 1200 °C erfolgen. Dabei können zuerst alle organischen Komponenten aus dem Spritzguss-Körper und den Funktionsschichten entfernt werden und sich die gewollte Porosität im Trägerkörper einstellen. Danach kann die Keramisierung der Materialien erfolgen. Zur vollständigen Versinterung aller Komponenten kann eine Haltezeit von mindestens 5 Stunden vorteilhaft sein.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein zunächst aus einer porös sinternden Komponente hergestellter Abschnitt mit einem gasdichten Material verschlossen werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Trägerkörper, insbesondere der Kappenabschnitt, so ausgeformt sein, dass Führungselemente zur Stabilisierung einer Gaszufuhrlanze vorliegen. Auf der gegenüberliegenden Seite kann der Fußabschnitt ausgeformt sein, der eine gasdichte Verbindung ohne zusätzliche Abdichtung glasartiger Materialien ermöglichen kann. Der gesamte Tubus kann dabei cogesintert sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Verbindungsabschnitt an einem Endabschnitt des Funktionskörpers angeordnet sein. Dadurch können die Segmentstränge insbesondere über die gesamte axiale Länge der Brennstoffzelle verlaufen und nur am Kopfende insbesondere durch eine Reihenschaltung miteinander verbunden sein. In dieser Ausgestaltung kann, insbesondere bei einem gegenläufigen Stromfluss in den Segmentsträngen, in besonders vorteilhafter Weise die gesamte Länge beziehungsweise axiale Oberfläche der Brennstoffzelle ausgenutzt werden und somit die von der Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung maximiert werden.
Wenn der Verbindungsabschnitt als Ringleiter ausgestaltet ist, können Ohmsche Verluste in dem Verbindungsabschnitt minimiert werden, da dieser mit einem großen Leitungsquerschnitt ausbildbar ist. Darüber hinaus ist ein Ringleiter insbesondere bei einem rohrförmigen beziehungsweise tubularen Funktionskörper problemlos in diesen integrierbar, was insbesondere bei einer vorbeschriebenen Schichtstruktur der Fall sein kann. Dadurch, dass der Verbindungsabschnitt beziehungsweise Ringleiter aus dem Kathodenmaterial oder dem Anodenmaterial ausgestaltet ist, kann dieser in einfacher Weise bei einer Ausbildung der Anodenbereiche beziehungsweise Kathodenbereiche ausgeformt und beispielsweise in eine Schichtstruktur integriert werden, was eine Herstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle weiter vereinfacht.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle. Die wenigstens eine Brennstoffzelle kann dabei vorteilhafterweise auf einem Trägersubstrat angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem insbesondere eine Vielzahl an Brennstoffzellen aufweisen. Über eine Variation der Brennstoffzellen kann insbesondere eine gewünschte Leistungscharakteristik des Brennstoffzellensystems eingestellt werden, was eine Große Variabilität der Anwendung zulässt. Das Trägersubstrat kann beispielsweise aus einem inerten Material ausgebildet sein. Darüber hinaus kann das Trägersubstrat beispielsweise eine Bodenplatte ausbilden.
Zeichnungen und Beispiele
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 eine schematische Skizze einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle;
2 eine schematische Skizze darstellend eine Schichtstruktur einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
3 eine schematische Skizze einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle,
4a eine schematische Skizze einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und
4b eine schematische Skizze einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1. Die Brennstoffzelle 1 kann beispielsweise als alleinige Brennstoffzelle der Energiegewinnung dienen, oder aber zusammen mit weiteren, insbesondere gleichartig ausgestalteten Brennstoffzellen 1, beispielsweise auf einem Trägersubstrat, zu einem Brennstoffzellensystem vereinigt werden.
Die Brennstoffzelle 1 umfasst einen rohrförmigen Funktionskörper 2, der mindestens zwei elektrisch verschaltete Segmentstränge 3, 4 umfasst. Besonders bevorzugt können die mindestens zwei Segmentstränge 3, 4 zumindest teilweise elektrisch und ionisch voneinander isoliert sein, um eine ungewünschte Beeinträchtigung der Funktion der Segmentstränge 3, 4 aufeinander zu vermeiden. Erfindungsgemäß weist jeder der mindestens zwei Segmentstränge 3, 4 wenigstens zwei Elektroden-Elektrolyt-Segmente 5, 6 beziehungsweise 7, 8 auf. Die jeweiligen Elektroden-Elektrolyt-Segmente 5, 6 beziehungsweise 7, 8 sind dabei insbesondere in Reihe geschaltet. Die genaue Anzahl an Elektroden-Elektrolyt-Segmenten 5, 6, 7, 8 ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt, sie ist vielmehr anwendungsbezogen und leistungsbezogen frei wählbar. Die genaue Anzahl kann insbesondere in Abhängigkeit der gewünschten Leistungscharakteristik, also in Abhängigkeit der bereitzustellenden Stromstärke beziehungsweise Spannung gewählt werden.
Die in einem Segmentstrang 3, 4 angeordneten Elektroden-Elektrolytsegmente können dabei zumindest teilweise durch einen elektrisch und ionisch isolierenden Bereich 24 getrennt sein. Ferner umfasst jedes der Elektroden-Elektrolyt-Segmente 5, 6, 7, 8 dabei eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten, wie dies im Detail in 2 zu erkennen ist und später detailliert beschrieben wird.
1 zeigt weiterhin, dass wenigstens zwei in unterschiedlichen Segmentsträngen 3, 4 angeordnete Elektroden-Elektrolyt-Segmente 5, 7 über einen aus dem Material der Anoden oder aus dem Material der Kathoden ausgebildeten Verbindungsabschnitt 9 elektrisch verbunden sind. Besonders bevorzugt sind die Elektroden-Elektrolyt-Segmente 5, 7 dabei in Reihe geschaltet.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die wenigstens zwei Segmentstränge 3, 4 bezogen auf die Achse des rohrförmigen Funktionskörpers 2 in axialer Richtung ausgerichtet. Um eine geeignete Isolierung der einzelnen Segmentstränge 3, 4 gegeneinander zu realisieren, können diese durch eine bezogen auf die Achse des rohrförmigen Funktionskörpers 2 in axialer Richtung verlaufende gasdichte Nahtstelle 10 zumindest teilweise ionisch und elektrisch voneinander isoliert sein. Die Nahtstelle 10 kann so den von dem rohrförmigen Funktionskörper 2 gebildeten Tubus beispielsweise in zwei Halbtuben trennen, wobei jeder Halbtubus durch einen Segmentstrang 3, 4 ausgebildet sein kann. Es kann jedoch dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass der Funktionskörper 2 auch in dieser Ausgestaltung einstückig ausgebildet ist und nicht zwingend in zwei Funktionskörper 2 unterteilt ist.
Bezogen auf die Funktion der Brennstoffzelle 1 kann die Richtung des Stromflusses in den wenigstens zwei Segmentstränge 3, 4 zu einander gegenläufig sein. Dazu kann der Strom beispielsweise entlang eines Segmentstrangs 3 in eine Richtung fließen und entlang eines anderen Segmentstrangs 4 in die gegenläufige Richtung. Dabei kann der Strom insbesondere durch den Verbindungsabschnitt 9 fließen. Der gegenläufige Stromfluss ist dabei in 1 durch den Pfeil 11 angedeutet. Ein gegenläufiger Stromfluss kann dabei besonders bevorzugt sein, wenn der Verbindungsabschnitt 9 an einem Endabschnitt des Funktionskörpers 2 angeordnet ist, wie dies in 1 gezeigt ist. Auf diese Weise kann im Wesentlichen die gesamte Länge des Funktionskörpers 2 zur Energiegewinnung dienen. Dabei kann ferner vorgesehen sein, dass der Verbindungsabschnitt 9 als Ringleiter ausgestaltet ist, um eine geeignete elektrische Verbindung bereitzustellen.
1 zeigt weiterhin, dass der Funktionskörper 2 als einseitig geschlossener Tubus ausgestaltet sein kann. Auf diese Weise kann eine einfache Trennung zwischen Brennstoffseite und Luftseite realisiert werden. Dabei kann es bevorzugt sein, dass der rohrförmige Funktionskörper 2 außenseitig mit Luft umspült wird, wobei das Brenngas innenseitig die Wandung des Formkörpers 2 umströmt. Dies ist ein besonders sicheres Betreiben einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1, da das Brenngas, wie etwa Wasserstoff, im Inneren des rohrförmigen Funktionskörpers 2 beziehungsweise im Inneren der Brennstoffzelle 1 leichter kontrollierbar ist und so eine von dem Brenngas ausgehende Gefährdung, etwa in Form von Explosionen, deutlich gemindert werden kann. In dieser Ausgestaltung ist somit die Anode an der inneren Seite des Funktionskörpers 2 angeordnet, wohingegen die Kathode an der äußeren Seite des Funktionskörpers 2 angeordnet ist.
Um die Stabilität zu vergrößern, kann der Funktionskörper 2 ferner auf einem rohrförmigen Trägerkörper angeordnet sein. Der Trägerkörper ist nicht im Detail gezeigt, kann jedoch beispielsweise bezogen auf den rohrförmigen Querschnitt außerhalb oder innerhalb des Funktionskörpers 2 angeordnet sein.
In 2 ist die Brennstoffzelle 1 beziehungsweise insbesondere eine Ausführungsform ihres Funktionskörpers 2 im Detail gezeigt. 2a zeigt dabei einen Querschnitt durch den Funktionskörper 2, wohingegen 2b) Grundrisse dreier Schichten an der Nahtstelle 10 zeigt.
2 zeigt, dass die erfindungsgemäße Brennstoffzelle 1 insbesondere eine Schichtanordnung mit einer Anodenschicht 12, einer Kathodenschicht 13 und einer Elektrolytschicht 14 aufweist. Dabei können in der Anodenschicht 12 Anodenbereiche 15, 16, 17, 18 ausgebildet sein, welche die Anoden der Elektroden-Elektrolyt-Segmente 5, 6, 7, 8 bilden, und gasdicht oder gasdurchlässig sein können. Ferner können die Anoden nur elektrisch leitend oder elektrisch und ionisch leitend sein. Ein Anodenbereich 15, 17 kann dabei von einem anderen Anodenbereich 16, 18 durch einen elektrisch und ionisch isolierenden Bereich 19 getrennt sein, der gasdicht oder gasdurchlässig sein kann. Entsprechend können in der Kathodenschicht 13 Kathodenbereiche 20, 21, 22, 23 ausgebildet sein, welche die Kathoden der Elektroden-Elektrolyt-Segmente 5, 6, 7, 8 bilden, und gasdicht oder gasdurchlässig sein können. Ferner können die Kathoden nur elektrisch leitend oder elektrisch und ionisch leitend sein. Dabei kann ein Kathodenbereich 20, 22 von einem anderen Kathodenbereich 21, 23 durch einen elektrisch und ionisch isolierenden Bereich 24 getrennt sein, der gasdicht oder gasdurchlässig sein kann. Weiterhin können in der Elektrolytschicht 14 Elektrolytbereiche 25, 26, 27, 28 ausgebildet sein, welche die Elektrolyten der Elektroden-Elektrolyt-Segmente 5, 6, 7, 8 bilden, und gasdicht sein können. Ferner kann der Elektrolyt elektrisch isolierend aber ionisch leitend sein. Beispielswiese kann der Elektrolyt aus yttriumstabilisiertem Zirconiumdioxid (YSZ) ausgebildet sein oder aus diesem Material bestehen. Dabei kann ein Elektrolytbereich 25, 27 von einem anderen in dem selben Segmentstrang angeordneten Elektrolytbereich 26, 28 durch einen ionisch isolierenden und gasdichten Bereich, insbesondere einen Konnektor 29 getrennt sein. Ferner kann ein Elektrolytbereich 25, 26 von einem anderen in einem anderen Segmentstrang angeordneten Elektrolytbereich 27, 28 durch einen elektrisch und ionisch isolierenden gasdichten Bereich 30 getrennt sein.
Aus dem vorgenannten wird ersichtlich, dass beispielsweise der Anodenbereich 15, der Kathodenbereich 20 und der Elektrolytbereich 25 das Elektroden-Elektrolytsegment 5 bilden können. Entsprechend umfasst das Elektroden-Elektrolytsegment 6 den Anodenbereich 16, den Kathodenbereich 21 und den Elektrolytbereich 26, das Elektroden-Elektrolytsegment 7 den Anodenbereich 17, den Kathodenbereich 22 und den Elektrolytbereich 27, und das Elektroden-Elektrolytsegment 8 den Anodenbereich 18, den Kathodenbereich 23 und den Elektrolytbereich 28.
Im Rahmen der Erfindung kann ferner vorteilhaft sein, wenn der die Anodenbereiche und/oder die Kathodenbereiche trennende elektrisch und ionisch isolierende Bereich 19, 24 durch Luft oder eine mit Luft gefüllte Aussparung gebildet ist. Weiterhin kann vorteilhaft sein, wenn der die in unterschiedlichen Segmentsträngen 3, 4 angeordneten Elektrolytbereiche von einander elektrisch und ionisch isolierende Bereich 30 durch einen Festkörperisolator, insbesondere Aluminiumoxid gebildet ist.
Bezüglich der Konnektoren 29 ist ferner vorteilhaft, wenn diese aus dem Anoden- oder Kathodenmaterial ausgebildet sind, wobei das Material insbesondere elektrisch leitend und nicht ionisch leitend sein kann. Insbesondere in diesem Fall kann die elektrische Verbindung 9 zwischen den unterschiedlichen Segmentsträngen 3, 4 neben dem Verbindungsabschnitt 9 einen Konnektor 29 umfassen. Entsprechend kann eine Anode eines Elektroden-Elektrolyt-Segments 5, 7 mit einer Kathode eines anderen Elektroden-Elektrolyt-Segments 6, 8 desselben Segmentstrangs 2, 3 durch einen Konnektor 29 elektrisch verbunden sein.
2 zeigt weiterhin, dass ein in der Anodenschicht 12 angeordneter Anodenbereich 16 eines Elektroden-Elektrolyt-Segments 6 und ein in der Kathodenschicht 13 angeordneter Kathodenbereich 20 eines anderen Elektroden-Elektrolyt-Segments 5 teilweise überlappend angeordnet sein können. Dabei ist der Konnektor 29 in dem überlappenden Bereich angeordnet, wobei der Konnektor 29 in besonders vorteilhafter Weise ausschließlich in der Elektrolytschicht 14 angeordnet ist.
Der Verbindungsabschnitt 9 kann ferner zumindest teilweise von Elektrolytmaterial abgedeckt sein, welches positionsbedingt in jeder der Anodenschicht 12, Kathodenschicht 13 und Elektrolytschicht 14 angeordnet sein kann. Auf jeden Fall kann der Verbindungsabschnitt 9 entweder ein gasdichtes Material umfassen oder von einem gasdichten Material bedeckt sein, um einen Gasdurchtritt hier zu verhindern.
Erfindungsgemäß ist es möglich, dass auf den Außenflächen der Elektroden der Elektroden-Elektrolyt-Segmente 5, 6, 7, 8 keine Stromkollektoren zum elektrischen Kontaktieren der Elektroden aufgebracht sind, welche aus einem anderen elektrisch leitenden Material als dem Anoden- und Kathodenmaterial ausgebildet sind. Entsprechend wird es in besonders vorteilhafter Weise möglich, dass die Brennstoffzelle 1 keinen Längsstromkollektor zum Zusammenschalten einer Vielzahl von Segmenten aufweist, welcher bezogen auf die Achse des Funktionskörpers in axialer Richtung angeordnet und aus einem anderen elektrisch leitenden Material als dem Anoden- und Kathodenmaterial ausgebildet ist.
Folglich kann der Funktionskörper 2 in einer bevorzugten Ausführungsform aus lediglich mittels Verbindungsabschnitt 9 beziehungsweise Konnektoren 29 verbundenen Elektroden-Elektrolyt-Segmenten 5, 6, 7, 8 bestehen, welche jeweils aus einem Anodenbereich 15, 16, 17, 18, einem Kathodenbereich 20, 21, 22, 23 und einem Elektrolytbereich 25, 26, 27, 28 bestehen.
3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1 mit einem rohrförmigen, aus einem oder mehreren keramischen und/oder glasartigen Materialien ausgebildeten Trägerkörper 30, auf dessen Innenseite der Funktionskörper 2 aufgebracht ist. Auch wenn nicht in den Figuren dargestellt, kann der Funktionskörper 2 im Rahmen einer anderen alternativen Ausführungsform auf der Außenseite des rohrförmigen Trägerkörpers 30 angeordnet sein.
3 veranschaulicht, dass der rohrförmige Trägerkörper 30 in dem an den Funktionskörper 2 angrenzenden Abschnitt/en beziehungsweise porösen Bereich 30a gasdurchlässige Poren aufweist. Mit anderen Worten, der Funktionskörper 2 kann auf der Innenseite des rohrförmigen Trägerkörpers 30 genau auf der Höhe des porösen Abschnitts 30a platziert sein. 3 illustriert zudem, dass der rohrförmige Trägerkörper 30 weiterhin an einem Rohrende durch einen Kappenabschnitt 30b verschlossen ist und an dem offenen Rohrende einen Fußabschnitt 30c, einen so genannten Montageflansch, zum Befestigen der Brennstoffzelle 1 an einem Trägersubstrat aufweist. Vorzugsweise ist der Fußabschnitt 30c dazu ausgestaltet, ohne eine zusätzliche Abdichtung durch glasartige Materialien die Brennstoffzelle 1 an dem Trägersubstrat gasdicht zu befestigen. Der Kappenabschnitt 30a und der Fußabschnitt 30c sind dabei gasdicht ausgestaltet.
3 veranschaulicht ferner, dass dabei der den Funktionskörper-(2)-tragende, mittlere, hohlzylindrische, gasdurchlässigen, poröse Abschnitt 30a jeweils in einem Verbindungsbereich 31 einerseits an den Kappenabschnitt 30b und andererseits an den Fußabschnitt 30c angrenzt, wobei die Abschnitte stoffschlüssig miteinander verbunden sein können. Um die mechanische Stabilität in den Verbindungsbereichen 31 zu erhöhen, können die Verbindungsbereiche 31 des rohrförmigen Trägerkörpers 30 zudem eine formschlüssige Verzahnung aufweisen. Das eine Ende des Tubus beziehungsweise Trägerkörpers 30 kann darüber hinaus mit einem gasdichten Material verschlossen sein.
Der rohrförmige Trägerkörper 30 ist insbesondere aus einem ionisch und elektrisch isolierend, keramischen und/oder glasartigen Material ausgebildet. Vorzugsweise ist der rohrförmige Trägerkörper 30 aus Forsterit ausgebildet. Der Funktionskörper 2 kann ferner eine sehr dünne Schichtsystemdicke, beispielsweise von ≤ 50 μm, aufweist, wobei der Elektrolyt eine Schichtdicke von etwa 15 μm aufweisen kann.
In 3 ist weiterhin zu erkennen, dass die Brennstoffzelle 1 eine Schichtanordnung mit einer Anodenschicht 12, einer Kathodenschicht 13 und einer Elektrolytschicht 14 aufweist. Es ist darüber hinaus gezeigt, dass der Funktionskörper 2 wenigstens zwei elektrisch verschaltete Segmentstränge 3, 4 aufweist.
4 zeigt, dass ein Ende des Tubus ferner so ausgeformt sein kann, dass wenigstens ein, insbesondere eine Mehrzahl an Führungselementen 32 zur Stabilisierung einer Gaszufuhrlanze 33 vorliegen. Die 4a und 4b sind dabei Schnittansichten, die die Führungselemente 32 schematisch zeigen.
Im Rahmen der in 4a gezeigten Ausführungsform kann insbesondere in dem Kappenabschnitt 30b durch zusätzliches Material wenigstens eine Strebe 34 angeordnet sein. Insbesondere können drei Streben 34 vorgesehen sein, von denen in 4a nur eine erkennbar ist. Die Strebe 34 kann der eines Kreuzgangs ähneln. Sie ist insbesondere nach innen gezogen und stützt so die Gaszuführlanze 33. Die weiteren, nicht gezeigten Streben 34 stützen die Gaszuführlanze 33 in jeweils einer anderen Richtung, so dass insgesamt eine stabile Fixierung der Gaszuführlanze 33 realisiert ist.
Im Rahmen der in 4b gezeigten Ausführungsform kann insbesondere in dem Kappenabschnitt 30b wenigstens eine, vorzugsweise eine Mehrzahl an Eindellungen 35 vorgesehen sein. Von den beispielsweise drei Eindellungen 35 ist in 4b nur eine sichtbar. Die Eindellung 35 beziehungsweise die Eindellungen 35 sind ebenfalls kreuzgangähnlich angeordnet beziehungsweise nach innen gezogen, so dass sie eine Abstützung für die Gaszuführlanze 33 bilden. Die weiteren, nicht gezeigten Eindellungen 35 stützen die Gaszuführlanze 33 in jeweils einer anderen Richtung ab, so dass insgesamt eine stabile Fixierung der Gaszuführlanze realisiert ist.
Auf der gegenüberliegenden Seite, also insbesondere im Bereich des Fußabschnitts 30c, kann der Gasanschlussflansch ausgeformt sein, der eine gasdichte Verbindung ohne zusätzliche Abdichtung glasartiger Materialien ermöglicht. Der gesamte Tubus kann dabei cogesintert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1079453 B1 [0004]
EP 1624521 A1 [0005]

Claims

Brennstoffzelle, umfassend einen rohrförmigen Funktionskörper (2) mit mindestens zwei elektrisch verschalteten Segmentsträngen (3, 4), wobei jeder der mindestens zwei Segmentstränge (3, 4) wenigstens zwei, jeweils eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten umfassende, Elektroden-Elektrolyt-Segmente (5, 6, 7, 8) aufweist, wobei die Elektroden-Elektrolyt-Segmente (5, 6, 7, 8) eines Segmentstrangs (3, 4) in Reihe geschaltet sind, und wobei wenigstens zwei in unterschiedlichen Segmentsträngen (3, 4) angeordnete Elektroden-Elektrolyt-Segmente (5, 7) über einen aus dem Material der Anoden oder aus dem Material der Kathoden ausgebildeten Verbindungsabschnitt (9) elektrisch verbunden sind, insbesondere um die Segmentstränge (3, 4) in Reihe zu schalten.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die wenigstens zwei Segmentstränge (3, 4) bezogen auf die Achse des rohrförmigen Funktionskörpers (2) in axialer Richtung ausgerichtet sind und durch eine bezogen auf die Achse des rohrförmigen Funktionskörpers (2) in axialer Richtung verlaufende gasdichte Nahtstelle (10) zumindest teilweise ionisch und elektrisch voneinander isoliert sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Richtung des Stromflusses in den wenigstens zwei Segmentsträngen (3, 4) zu einander gegenläufig ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, – wobei die elektrische Verbindung zwischen den unterschiedlichen Segmentsträngen (3, 4) neben dem Verbindungsabschnitt (9) einen Konnektor (29) umfasst, und/oder – wobei eine Anode eines Elektroden-Elektrolyt-Segments (5, 6, 7, 8) mit einer Kathode eines anderen Elektroden-Elektrolyt-Segments (5, 6, 7, 8) desselben Segmentstrangs (3, 4) durch einen Konnektor (29) elektrisch verbunden ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 4, wobei der Konnektor (29) aus einem elektrisch leitenden Material, wie etwa dem Anoden- oder Kathodenmaterial, ausgebildet sind, wobei das Material insbesondere gasdicht und nicht ionisch leitend ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Brennstoffzelle (1) eine Schichtanordnung mit einer Anodenschicht (12), einer Kathodenschicht (13) und einer Elektrolytschicht (14) aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, – wobei in der Anodenschicht (12) Anodenbereiche (15, 16, 17, 18) ausgebildet sind, welche die Anoden der Elektroden-Elektrolyt-Segmente (5, 6, 7, 8) bilden, wobei ein Anodenbereich (15, 16, 17, 18) von einem anderen Anodenbereich (15, 16, 17, 18) durch einen elektrisch und ionisch isolierenden Bereich (19) getrennt ist, und/oder – wobei in der Kathodenschicht (13) Kathodenbereiche (20, 21, 22, 23) ausgebildet sind, welche die Kathoden der Elektroden-Elektrolyt-Segmente (5, 6, 7, 8) bilden, wobei ein Kathodenbereich (20, 21, 22, 23) von einem anderen Kathodenbereich (20, 21, 22, 23) durch einen elektrisch und ionisch isolierenden Bereich (24) getrennt ist und/oder – wobei in der Elektrolytschicht (14) Elektrolytbereiche (25, 26, 27, 28) ausgebildet sind, welche die Elektrolyten der Elektroden-Elektrolyt-Segmente (5, 6, 7, 8) bilden, wobei ein Elektrolytbereich (25, 27) von einem anderen in dem selben Segmentstrang (3, 4) angeordneten Elektrolytbereich (26, 28) durch einen ionisch isolierenden Bereich (29) getrennt ist und/oder ein Elektrolytbereich (25, 26) von einem anderen in einem anderen Segmentstrang (4) angeordneten Elektrolytbereich (27, 28) durch einen elektrisch und ionisch isolierenden gasdichten Bereich (30) getrennt ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 7, – wobei der elektrisch und ionisch isolierende Bereich (19, 24) zur Trennung der Anodenbereiche (15, 16, 17, 18) und/oder der Kathodenbereiche (20, 21, 22, 23) durch Luft oder eine mit Luft gefüllte Aussparung gebildet ist, und/oder – wobei der elektrisch und ionisch isolierende Bereich (30) zur Trennung der in unterschiedlichen Segmentsträngen (3, 4) angeordneten Elektrolytbereiche (25, 26 von 27, 28) durch einen Festkörperisolator, insbesondere Aluminiumoxid, gebildet ist, und/oder – wobei der ionisch isolierende Bereich zur Trennung der in demselben Segmentstrang (3, 4) angeordneten Elektrolytbereiche (25, 27 von 26, 28) weiterhin elektrisch leitend ist und durch einen Konnektor (29) gebildet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ein in der Anodenschicht (12) angeordneter Anodenbereich (15, 16, 17, 18) eines Elektroden-Elektrolyt-Segments (5, 6, 7, 8) und ein in der Kathodenschicht (13) angeordneter Kathodenbereich (20, 21, 22, 23) eines anderen Elektroden-Elektrolyt-Segments (5, 6, 7, 8) teilweise überlappend angeordnet sind, wobei in dem überlappenden Bereich ein Konnektor (29) in der Elektrolytschicht (14) angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, – wobei auf den Außenflächen der Elektroden der Elektroden-Elektrolyt-Segmente (5, 6, 7, 8) keine Stromkollektoren zum elektrischen Kontaktieren der Elektroden aufgebracht sind, welche aus einem anderen elektrisch leitenden Material als dem Anoden- und Kathodenmaterial ausgebildet sind, und/oder – wobei die Brennstoffzelle (1) keinen Längsstromkollektor zum Zusammenschalten einer Vielzahl von Elektroden-Elektrolyt-Segmenten (5, 6, 7, 8) aufweist, welcher bezogen auf die Achse des Funktionskörpers (2) in axialer Richtung angeordnet und aus einem anderen elektrisch leitenden Material als dem Anoden- und Kathodenmaterial ausgebildet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Funktionskörper (2) als einseitig geschlossener Tubus ausgestaltet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Funktionskörper (2) auf einem rohrförmigen Trägerkörper (30) angeordnet ist, insbesondere wobei der Trägerkörper (30) Forsterit umfasst, und/oder wobei der Trägerkörper (30) in dem an den Funktionskörper (2) angrenzenden Abschnitt (30a) gasdurchlässige Poren und/oder Öffnungen aufweist, und/oder wobei der Trägerkörper (2) an mindestens einem offenen Rohrende einen Fußabschnitt (30c) zum Befestigen der Brennstoffzelle (1) an einem Trägersubstrat aufweist, welcher gasdicht ausgestaltet ist, und/oder wobei der Trägerkörper (30) an einem Rohrende durch einen Kappenabschnitt (30b) verschlossen ist, welcher gasdicht ausgestaltet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Verbindungsabschnitt (9) an einem Endabschnitt des Funktionskörpers (2) angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Verbindungsabschnitt (9) als Ringleiter ausgestaltet ist.
Brennstoffzellensystem, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.