DE10207864B4 - Rohrförmige Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Rohrförmige Brennstoffzelle, bei der Brenngas und Luft in Rohrlängsrichtung eines rohrförmigen, zwischen Elektroden liegenden Elektrolyten geführt ist und zur Beheizung der in Rohrlängsrichtung geführten Luft eine sich in Rohrlängsrichtung erstreckende elektrische Heizeinrichtung (21) vorgesehen ist. dadurch gekennzeichnet,
dass innerhalb eines Außenrohrs (1) ein Innenrohr (2) angeordnet ist,
dass in einem zwischen dem Außenrohr (1) und dem Innenrohr (2) im Querschnitt ringförmigen Längsraum (3) die Elektrolyt-Elektrodeneinheit (4) eingebaut ist, und dass die elektrische Heizeinrichtung (21) innerhalb eines Außenrohrs (1) von einem Rohrheizkörper (22), einer Heizleiterfolie (29,31), einem Dickschicht-Heizelement, von wenigstens einem keramischen Heizkörper (32) oder durch die Elektrolyt-Elektrodeneinheit (4) selbst gebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine rohrförmige Brennstoffzelle, bei der Brenngas und Luft in Rohrlängsrichtung eines rohrförmigen, zwischen Elektroden liegenden Elektrolyten geführt sind.
  • Eine derartige SOFC-Brennstoffzelle ist aus der US 6 248 468 B1 bekannt. Dort wird die Luft, d.h. der Sauerstoff bzw. der Oxidant durch den zentralen Innenraum der Rohranordnung geführt. Der Brennstoff wird längs der äußeren rohrförmigen Elektrode geführt.
  • Eine rohrförmige Brennstoffzelle ist auch in der US 6 127 766 beschrieben.
  • Es wurde gefunden, dass die der Brennstoffzelle zugeführte Luft, insbesondere beim Beginn des Brennstoffzellenbetriebs, vorgewärmt werden muss, um die Stromerzeugung der Brennstoffzelle in Gang zu setzen. Nach dem Stand der Technik kann eine solche Vorerwärmung der Luft nur in einer außerhalb der rohrförmigen Brennstoffzelle angeordneten Heizeinrichtung erfolgen. Von einer Einleitungsstelle an der rohrförmigen Brennstoffzelle nimmt dann die Temperatur in Strömungsrichtung der Luft schnell ab. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Porosität der für die Elektroden verwendeten keramischen Materialien begrenzt ist, so dass ihre Durchlässigkeit für die am Brennstoffzellenprozess beteiligten Gase gering ist. Dies führt zu einem starken Temperaturabfall (Temperaturgradienten) im Rohr, insbesondere in dessen Längsrichtung, und zu einer Abnahme der Intensität des Brennstoffzellenprozesses in Rohrlängsrichtung, da die Sauerstoffkonzentration der Luft und der Wasserstoffkonzentration des Brenngases in Rohrlängsrichtung stark abnehmen. Die Degradation, d.h. der Abfall der Stromerzeugungsfähigkeit der Brennstoffzelle über die Betriebszeit gesehen, ist hoch, da bei Teillast oder Abschaltung der Stromerzeugung der Brennstoffzelle jedes Mal die Brennstoffzelle abkühlt, wodurch Risse im Gefüge des keramischen Materials der Elektroden entstehen können. Dadurch wird die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten verschlechtert. Um die Gefahr von thermisch induzierten Rissen zu reduzieren, muss die Aufheizzeit bei einer SOFC-Brennstoffzelle sehr lang, beispielsweise 17 bis 20 h, gewählt werden, um die Brennstoffzelle vor thermischen Überbeanspruchungen zu schützen. Eine lange nötige Aufheizzeit ist ungünstig. Letztlich ist durch diese Gegebenheiten die mögliche Länge einer rohrförmigen Brennstoffzelle begrenzt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine rohrförmige Brennstoffzelle der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei der die Temperaturänderung in Rohrlängsrichtung der Brennstoffzelle möglichst gering ist.
  • Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die sich in Rohrlängsrichtung erstreckende elektrische Heizeinrichtung gewährleistet, dass die Luft in Längsrichtung des Rohres erwärmt wird. Sie wird also nicht in Längsrichtung des Rohres schnell abkühlen. Es ist damit möglich, die rohrförmige Brennstoffzelle länger als nach dem Stand der Technik auszubilden, ohne dass es zu thermisch induzierten Rissen kommt. Da der Temperaturgradient in Längsrichtung der Brennstoffzelle gegenüber dem Stand der Technik verringert ist, ist es möglich, die Aufheizzeit zu verkürzen und dann, wenn aus dem Brennstoffzellenprozess aufgrund äußerer steuerungstechnischer Vorgänge kein elektrischer Strom oder nur ein verminderter elektrischer Strom abgenommen wird, die Brennstoffzelle in ihrer Längsrichtung auf einer Temperatur zu halten, die eine Degradation, d.h. den Abfall der Stromerzeugungsfähigkeit der Brennstoffzelle, vermindert.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es wird damit auch der Druckabfall des über die Elektrode strömenden Mediums, nämlich der Luft und des Brenngases, reduziert.
  • In der Zeichnung zeigen:
  • 1 bis 4 ein erstes Ausführungsbeispiel, wobei 1 ein schematischer Längsschnitt einer rohrförmigen Brennstoffzelle,
  • 2 ein Querschnitt längs der Linie I-I der 1,
  • 3 ein Querschnitt längs der Linie II-II nach 1 und 4 ein Querschnitt längs der Linie III-III der 1 ist,
  • 5 eine gegenüber den anderen Figuren vergrößerte Detailansicht des Substrataufbaus einer Elektrolyt-Elektrodeneinheit,
  • 6 und 7 ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei 6 ein schematischer Längsschnitt einer rohrförmigen Brennstoffzelle und
  • 7 ein Querschnitt längs der Linie VII-VII der 6 ist,
  • 8 und 9 ein drittes Ausführungsbeispiel, wobei
  • 8 ein schematischer Längsschnitt einer rohrförmigen Brennstoffzelle und
  • 9 ein Querschnitt längs der Linie IX-IX der 8 ist,
  • 10 und 11 ein viertes Ausführungsbeispiel, wobei 10 ein schematischer Längsschnitt einer rohrförmigen Brennstoffzelle und
  • 11 ein Querschnitt längs der Linie XI-XI der 10 ist.
  • Eine rohrförmige Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) weist ein formstabiles, elektrisch leitendes, insbesondere metallisches Außenrohr 1 und ein hierzu koaxiales, formstabiles, elektrisch leitendes, insbesondere metallisches Innenrohr 2 auf, das bei dem ersten Ausführungsbeispiel, wie unten näher beschrieben, von einem Mantelrohr eines elektrischen Heizkörpers gebildet ist, auf. In einem zwischen dem Außenrohr 1 und dem Innenrohr 2 bestehenden, im Querschnitt ringförmigen Längsraum 3 ist eine röhrenförmige Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 eingebaut.
  • Die Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 weist als Elektrolyt eine röhrenförmige Folie 4e auf, die aus keramischen Elektrolytsubstrat hergestellt ist. Ein solches Substrat ist beispielsweise Scandiumstabilisiertes Zirkoniumoxid-Pulver. Eine derartige Folie ist zum Einsatz als Feststoffelektrolyt in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle in einer Messeinformation der Fa. Kerafol Keramische Folien GmbH, Stegenthumbach 4-6, D-92676 Eschenbach, beschrieben und dort erhältlich. Die röhrenförmige Folie lässt sich in einem Beschichtungsprozess (Coating-Process) verbunden mit mehrmaligen Sintern herstellen.
  • Die Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 weist weiterhin als Elektroden eine Kathode 4k und eine Anode 4a auf (vgl. 5). Das die Anode 4a bildende Substrat besteht beispielsweise aus einem Nickel/Zirkonium-Material (Nickel/Zirkonium-Cermet) mit Ceranteilen zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit. Das die Kathode 4k bildende Substrat kann aus Oxiden der Peroskitfamilie, beispielsweise La Mn O3, bestehen.
  • Zur Herstellung der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 können das Anodensubstrat und das Kathodensubstrat auf die erwärmte, röhrenförmig vorgeformte oder zunächst noch plane und später in Rohrform zu bringende Folie aufgesprüht werden (thermischen Sprayen), was beispielsweise im VPS-Prozess (Vacuum-Plasma-Spray-Prozess) erfolgen kann, oder in einem PVD-Prozess (Physical-Vapor-Deposition-Process) aufgebracht werden. Es kann auch eine Kombination dieser Prozesse in Verbindung mit Sintervorgängen vorgenommen werden.
  • Die Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 kann auch dadurch hergestellt werden, dass zur Herstellung der Folie eine teigartige Masse aus Elektrolytsubstrat, beispielsweise in Röhrenform oder plan, geformt wird und auf diese Masse Anodensubstrat und Kathodensubstrat aufgebracht wird und eine Sinterung erfolgt (Coating Process).
  • Bei der Herstellung der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 ist es auch möglich, eine vorgefertigte bandförmige Folie aus Kathodensubstrat und/oder Anodensubstrat um einen vorgefertigten, den Elektrolyten und die Anode und/oder die Kathode bildenden rohrförmigen Körper zu wickeln und dann eine Sinterung vorzunehmen, bei der sich die Substanzen vereinigen (Tape-Coating-Process).
  • Die Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 lässt sich auch in der Weise herstellen, dass ein rohrförmig vorgefertigter, den Elektrolyten 4e bildender Körper in ein Bad aus Kathodensubstrat und/oder Anodensubstrat eingetaucht wird und anschließend ein Sinterprozess durchgeführt wird (Dip-Coating-Process).
  • Es ist zur Herstellung der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 auch möglich, das Anodensubstrat und/oder das Elektrodensubstrat und/oder das Kathodensubstrat auf einen erwärmten rohrförmigen oder stabförmigen Körper, beispielsweise als Aerosol, aufzusprühen. Auch durch andere Kombinationen der genannten Verfahrensschritte lässt sich die Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 herstellen. Dabei kann bei der Herstellung auch das Außenrohr 1 und/oder das Innenrohr 2, gegebenenfalls unter Einsatz der unten näher beschriebenen Trägerelemente, als Träger dienen.
  • Es hat sich gezeigt, dass das Elektrolytsubstrat und das Kathodensubstrat bei etwa 1500°C und das Anodensubstrat bei einer niedrigeren Temperatur, etwa 1100°C bis 1350°C, gesintert werden muss, um im Brennstoffzellenbetrieb den Ionenaustausch in einem vorteilhaften Rahmen zu gewährleisten. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass das in das Außenrohr 1 bzw. in die in es eingesetzten Trägerelemente ein vorgeformter, die Kathode und den Elektrolyten bildender Körper im grünen Zustand oder in einem vorgesinterten Zustand eingeschoben wird und dann eine Versinterung bei 1500°C erfolgt. Anschließend wird dann das vorgeformte Anodensubstrat, gegebenenfalls auf dem Innenrohr 2 bzw. den von ihm getragenen weiter unten beschriebenen Trägerelementen gelagert eingeschoben und dann bei der niedrigeren Temperatur, beispielsweise 1100°C bis 1350°C, versintert. Zum Einschieben des vorgeformten Anodensubstrat lässt sich anstelle des Innenrohrs 2 und gegebenenfalls der auf ihm angeordneten Trägerelemente ein Hilfskörper (Dummy) verwenden.
  • Im ringförmigen Längsraum 3 sind zwischen der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 und dem Außenrohr 1 in Rohrlängsrichtung beabstandet mehrere Trägerelemente 5 und zwischen der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 und dem Innenrohr 2 in Rohrlängsrichtung beabstandet mehrere Trägerelemente 6 vorgesehen. In den Figuren sind jeweils zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung nur je drei oder vier Trägerelemente 5 bzw. 6 gezeigt. Mehrere in Rohrlängsrichtung beabstandete Trägerelemente vorzusehen, ist vorteilhaft, weil dadurch durch Temperaturänderungen bedingte Risse in der Struktur der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 weitgehend vermieden werden können. Solche Risse würden die Aktivität des Brennstoffzellenprozesses erheblich beeinträchtigen.
  • Die Trägerelemente 5 bzw. 6 dienen der Führung und Stützung der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 und der Versorgung der Kathode der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 mit Luftsauerstoff an der einen Seite und der Versorgung der Anode der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 mit Brennstoff an der anderen Seite. Darüber hinaus dienen sie der elektrischen Kontaktierung der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 mit dem Außenrohr 1 einerseits und mit dem Innenrohr 2 andererseits.
  • Die Trägerelemente 5,6 sind ringförmig oder segmentförmig gestaltet, wobei die Segmentzwischenräume dem Durchlass von Luft bzw. Brennstoff zum in Strömungsrichtung nächst folgenden Trägerelement dienen. Die Trägerelemente 5,6 bestehen aus einem porösen Keramikmaterial. Die Porosität gewährleistet die Beaufschlagung der Kathode 4k mit Sauerstoff aus der Luft und die Beaufschlagung der Anode 4a mit dem Wasserstoff des Brenngases. Die keramischen Trägerelemente 5,6 enthalten vorzugsweise Nickelpulver, um die elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Außenrohr 1 und dem Innenrohr 2 der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 zu gewährleisten. Die elektrische Leitfähigkeit kann auch mit anderen Mitteln erreicht werden.
  • In den Trägerelementen 5,6 sind Längskanäle 7 ausgebildet, die die Luftdurchlässigkeit bzw. die Brenngasdurchlässigkeit in Längsrichtung erhöhen. Zusätzlich können auch radiale Kanäle 8 in den Trägerelementen 5,6 ausgebildet sein, um die Beaufschlagung der Anodenseite 4a der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 mit Brenngas und/oder die Beaufschlagung der Kathodenseite 4k der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 mit Luft zu unterstützen.
  • Zwischen in Längsrichtung aufeinanderfolgenden, benachbarten Trägerelementen 5 bzw. 6 besteht jeweils ein Zwischenraum 9, in dem, vorzugsweise metallische, Kontaktelemente 10,11 angeordnet sind, die die Trägerelemente 5,6 beabstandet halten und die elektrische Kontaktierung der Trägerelemente 5,6 mit dem Außenrohr 1 bzw. dem Innenrohr 2 gewährleisten. Die Längen der Zwischenräume 9 in Rohrlängsrichtung sind kürzer als die Längen der Trägerelemente 5,6 in Rohrlängsrichtung.
  • Mittels eines endseitigen Verschlusspfropfens 12 sind das Innenrohr 2 und die Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 einseitig am Außenrohr 1 festgelegt. Anschließend an den Verschlusspfropfen 12 sind im Längsraum 3 Verteilräume 13,14 gestaltet, die mittels der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 voneinander getrennt sind. In den Verteilraum 13 ist eine Druckfeder 15 eingebaut, die auf die Trägerelemente 5 drückt. In den Verschlussraum 14 ist eine Druckfeder 16 eingebaut, die auf die Trägerelemente 6 drückt. An dem dem Verschlusspfropfen 12 abgewandten Ende der Rohre 1,2 sind die Trägerelemente 5,6 an einer Stützscheibe 17 abgestützt, die sich ihrerseits an einer am Innenrohr 2 angeordneten Verschraubung 18 abstützt. Mittels der Verschraubung 18 ist die von den Druckfedern 15,16 auf die Trägerelemente 5,6 wirkende Vorspannung einstellbar. Die Trägerelemente 5,6 sind also nicht starr in dem Außenrohr 1 gelagert. Durch ihre in Rohrlängsrichtung federnde Lagerung ist die Rissgefahr und die Bruchgefahr der Trägerelemente 5,6 bei den auftretenden Temperaturwechseln verringert. In Rohrlängsrichtung mehrere einzelne Trägerelemente 5,6 vorzusehen, ist vorteilhaft, weil dadurch in den einzelnen Trägerelementen 5,6 bei den auftretenden Temperaturwechseln nur mechanische Spannungen entstehen, die kleiner sind, als dann, wenn sich je nur ein Trägerelement über die gesamte Rohrlänge erstrecken würde.
  • Im Bereich des äußeren Verteilraums 13 weist das Außenrohr 1 Öffnungen 19 auf, durch die Brenngas oder Luft (vgl. die unten näher beschriebenen Ausführungsbeispiele) dem Verteilraum 13 zuführbar ist. Dem Verteilraum 14 ist Luft oder Brenngas (vgl. die unten näher beschriebenen Ausführungsbeispiele) über in dem Verschlusspfropfen 12 gestaltete Kanäle 20 zuführbar. Die Verteilräume 13,14 verteilen zugeführte Luft bzw. Brenngas jeweils auf das in Strömungsrichtung, Rohrlängsrichtung, jeweils erstes Trägerelement 5 bzw. 6.
  • In dem Außenrohr 1 ist eine elektrische Heizeinrichtung 21 angeordnet, die sich in Rohrlängsrichtung erstreckt, also nicht nur in Strömungsrichtung vordere Bereiche, sondern auch in Strömungsrichtung anschließende Bereiche beheizt. Vorzugsweise erstreckt sich die elektrische Heizeinrichtung 21 wenigstens im wesentlichen über die gesamte Länge der Rohrform der Brennstoffzelle. Die elektrische Heizeinrichtung erwärmt die zugeführte Luft nicht nur im Bereich der Verteilräume 13,14, sondern auch auf ihrem Strömungsweg durch die Brennstoffzelle. Die Heizeinrichtung 21 ist von einem Rohrheizkörper, einer Heizleiterfolie, einem Dickschichtheizelement, keramischen Heizkörpern oder durch die Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 selbst gebildet, was durch eine entsprechende Dotierung des Materials geschehen kann, aus dem die Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 hergestellt ist. Die Dotierung kann durch Zugabe eines Heizleitereigenschaften aufweisenden Materials erfolgen.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 4 ist die elektrische Heizeinrichtung 21 ein elektrischer Rohrheizkörper 22 mit üblichem Aufbau, bei dem in einem Mantelrohr 23 in Isoliermaterial 24, beispielsweise verdichtetes MgO, eine Heizwendel 25 eingebettet ist. Die Heizwendel 25 ist über Anschlussbolzen 26, von denen in 1 nur einer gezeigt ist, elektrisch anschließbar. Die Anschlussbolzen 26 ragen durch einen Verschlusskörper 27 des Rohrheizkörpers 22.
  • Wie in 1 durch die Biegung 28 angedeutet, kann sich der Rohrheizkörper 22 aus der dargestellten rohrförmigen Brennstoffzelle weiter erstrecken, wobei dann auf einem weiteren, geraden Abschnitt des Rohrheizkörpers 22 eine weitere rohrförmige Brennstoffzelle sitzen kann. Bei den Ausführungen nach den 1 bis 4 bildet das Mantelrohr 23 das Innenrohr 2 der Brennstoffzelle. Bei der Ausführung nach den 1 bis 4 wird dem inneren Verteilraum 14 über die Kanäle 20 in Richtung der Pfeile L Luft zugeführt. Brenngas wird über die Öffnung 19 dem äußeren Verteilraum 13 zugeführt (vgl. Pfeile B). Abgas, das aus verbrauchter Luft, d.h. Luft mit verringertem Sauerstoffgehalt, Wasserdampf, Kohlendioxid und gegebenenfalls unverbrauchtem Wasserstoff, aus dem Brenngas besteht, verlässt die Brennstoffzelle bei der Stützscheibe 17 in Richtung der Pfeile A.
  • Die Luft durchströmt aus dem Verteilraum 14 die Längskanäle 7 der Trägerelemente 6 und Zwischenräume 9 in Strömungsrichtung nacheinander. Sie wird auf diesem Strömungswege – bei eingeschaltetem Rohrheizkörper – vom Rohrheizkörper auf eine gewünschte Betriebstemperatur gebracht, und zwar über die gesamte Länge der Brennstoffzelle. Die Luft beaufschlagt die Kathodenseite der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4. Brenngas strömt durch die Längskanäle 7 der in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Trägerelemente 5 und beaufschlagt die Anodenseite der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4. Die Pole zur Abnahme des durch den Brennstoffzellenprozess erzeugten elektrischen Stromes bilden das Außenrohr 1 und das Innenrohr 2.
  • Im Schnitt der 2 sind das Außenrohr 1, eines der Trägerelemente 5 mit seinen Längskanälen 7, die Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4, eines der Trägerelemente 6 mit seinen Längskanälen 7, das Mantelrohr 23 des Rohrheizkörpers und dessen Isoliermaterial 24 sowie die Heizwendel 25 zu sehen.
  • Im Schnitt der 3 sind das Außenrohr, der Verschlusspfropfen 12 mit seinen Kanälen 20 innerhalb der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 sowie das Mantelrohr 23 und der Verschlusskörper sowie der Anschlussbolzen 26 zu sehen.
  • Im Schnitt der 4 sind das Außenrohr 1 mit seinen Öffnungen 19 sowie die durch die Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 getrennten Verteilräume 13,14 sowie der entsprechende Schnitt durch den Rohrheizkörper 22 dargestellt.
  • Bei den Ausführungsbeispielen der 6 und 7 ist als elektrische Heizeinrichtung 21 eine flächige Heizleiterfolie 29 verwendet. Diese ist am Innenumfang des Innenrohrs 2 angeordnet und erstreckt sich in Rohrlängsrichtung. Luft wird in Richtung der Pfeile L in den Innenraum des Innenrohrs 2 geleitet. Um die Luft den Trägerelementen 6 und damit der Anodenseite der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 zuzuführen, weist das Innenrohr 2 bei dem Verteilraum 14 und bei den zwischen den Trägerelementen 6 liegenden Zwischenräumen 9 Löcher 30 auf. Damit wird auch in Längsrichtung der rohrförmigen Brennstoffzelle gesehen Luftsauerstoff nicht nur bei dem in Strömungsrichtung gesehen ersten Trägerelement 6, sondern parallel den einzelnen Trägerelementen 6 zugeführt, was den Brennstoffzellenprozess in Längsrichtung der Brennstoffzelle in vorteilhafterweise unterstützt. Das Brenngas B wird wie beim Ausführungsbeispiel der 1 zugeführt.
  • Der im Brennstoffzellenprozess erzeugte elektrische Strom wird bei der Ausführung nach den 6 und 7 wie bei den anderen Ausführungsbeispielen auch hier an dem Innenrohr 2 und dem Außenrohr 1 abgenommen, was durch den Verbraucher V angedeutet ist.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 8 und 9 ist die elektrische Heizeinrichtung 21 von einer Heizleiterfolie 31 gebildet, die am Innenumfang des Außenrohrs 1 angeordnet ist. Die Luft L wird hier dem Verteilraum 13 zugeführt und strömt von dort durch die Trägerelemente 5, wobei sie von der Heizleiterfolie 31 beheizt wird und die Kathodenseite der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 beaufschlagt. Dem Innern des Innenrohrs 2 wird Brenngas B zugeführt, das durch die genannten Löcher 30 des Innenrohrs 2 zu den Trägerelementen 6 strömungstechnisch parallel gelangt und damit die Anodenseite der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 beaufschlagt. In 8 sind der die Heizleiterfolie 29 speisende elektrische Stromerzeuger G und der genannte Verbraucher V schematisch gezeigt. Die Heizleiterfolie 31 kann so ausgelegt sein, dass der Heizwiderstand ein NTC-Verhalten (negativer Temperaturkoeffizient) derart aufweist, dass der ohmsche Widerstand bei Erreichen der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle klein ist. Damit ist es möglich, das Außenrohr 1 zugleich als Pol für den Stromerzeuger G und als Pol für die Brennstoffzelle zu verwenden.
  • Beim Ausführungsbeispiel der 10 und 11 ist die elektrische Heizeinrichtung 21 von mehreren keramischen Heizkörpern 32 gebildet, die in Rohrlängsrichtung aufeinanderfolgend in das Innenrohr, an diesem anliegend, eingebaut sind. Ein solcher keramischer Heizkörper 32 weist eine wabenförmige Querschnittsstruktur auf, wobei eine Vielzahl von inneren Längskanälen 31 besteht. Die Keramik ist derart dotiert, dass sie bei Stromspeisung ihre Temperatur erhöht. Als den Heizkörpern 32 gemeinsamen elektrischen Anschlusspol ist ein sich im Innenrohr 2 erstreckender Kontaktstab 34 vorgesehen. Außenseitig sind die elektrischen Heizkörper 32 durch einen metallischen Belag mit dem Innenrohr 2 kontaktiert. Das Innenrohr 2 bildet dabei zugleich einen Pol des die Heizkörper 32 speisenden Stromerzeugers G und einen Pol des Verbrauchers V, dessen anderer Pol an dem Außenrohr 1 liegt. Die Heizkörper 32 sind elektrisch parallelgeschaltet. Der Heizstrom fließt in ihnen sternförmig, radial zur Rohrlängsrichtung. Es ist möglich, die Heizkörper 32 einzeln oder in Gruppen elektrisch anzuschließen. Über eine elektrische Steuereinrichtung können dann ein oder mehrere Heizkörper 32 eingeschaltet werden, um ein gewünschtes Temperaturprofil im Innenrohr 2 zu erreichen.
  • Die Luft wird dem Innenrohr 2 zugeführt, wobei sie durch die inneren Längskanäle der Heizkörper 32 strömen und durch die zwischen diesen beabstandeten Heizkörpern 32 liegenden, genannten Löcher 30 zu den Trägerelementen 6 gelangt und damit die Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 beaufschlagt. Damit entstehen – wie auch bei 6 – parallele Luftströme, was in für den Brennstoffzellenprozess günstiger Weise die Sauerstoffzufuhr zu der Elektrolyt-Elektrodeneinheit 4 begünstigt. Das Brenngas G wird – wie beschrieben – den Trägerelementen 5 zugeführt.
  • Die beschriebenen Einzelmerkmale der Ausführungsbeispiele lassen sich auch miteinander kombinieren.

Claims (17)

  1. Rohrförmige Brennstoffzelle, bei der Brenngas und Luft in Rohrlängsrichtung eines rohrförmigen, zwischen Elektroden liegenden Elektrolyten geführt ist und zur Beheizung der in Rohrlängsrichtung geführten Luft eine sich in Rohrlängsrichtung erstreckende elektrische Heizeinrichtung (21) vorgesehen ist. dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Außenrohrs (1) ein Innenrohr (2) angeordnet ist, dass in einem zwischen dem Außenrohr (1) und dem Innenrohr (2) im Querschnitt ringförmigen Längsraum (3) die Elektrolyt-Elektrodeneinheit (4) eingebaut ist, und dass die elektrische Heizeinrichtung (21) innerhalb eines Außenrohrs (1) von einem Rohrheizkörper (22), einer Heizleiterfolie (29,31), einem Dickschicht-Heizelement, von wenigstens einem keramischen Heizkörper (32) oder durch die Elektrolyt-Elektrodeneinheit (4) selbst gebildet ist.
  2. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (1) und das Innenrohr (2) die beiden Pole zur Leitung des von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Stromes bilden.
  3. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Rohrlängsrichtung an den beiden Seiten der Elektrolyt-Elektrodeneinheit (4) je zwei oder mehrere beabstandete Trägerelemente (5,6) vorgesehen sind.
  4. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrheizkörper (22) in einem Mantelrohr (23) eine in Isoliermaterial (24) eingebettete Heizwendel (25) aufweist, wobei insbesondere das Mantelrohr (23) das Innenrohr (2) bildet.
  5. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (2) Luft oder Brenngas leitet und dass das Innenrohr (2) Löcher (30) aufweist, durch die Luft oder Brenngas zwischen die Trägerelemente (5 oder 6) tritt.
  6. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (2) Luft leitet und die elektrische Heizeinrichtung (21) als Heizleiterfolie (29) oder Dickschichtheizelement am Innenumfang des Innenrohrs (2) angeordnet ist.
  7. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (2) Luft leitet und die elektrische Heizeinrichtung (21) von mehreren in das Innenrohr (2) eingebauten keramischen Heizkörpern (32) gebildet ist, die Längskanäle (33) zur Luftführung aufweisen.
  8. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Heizkörper (32) derart elektrisch angeschlossen sind, dass sie einzeln oder in Gruppen schaltbar sind.
  9. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontaktierung der keramischen Heizkörper (32) ein sich im Innenrohr (2) erstreckender Kontaktstab (34) vorgesehen ist.
  10. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (1) oder das Innenrohr (2) einen der Pole zum elektrischen Anschluss der elektrischen Heizeinrichtung (21) bildet.
  11. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente (5,6) aus einem porigen Keramikmaterial bestehen.
  12. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente (5,6) Längskanäle (7) aufweisen.
  13. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente (5,6) radiale Kanäle (8) aufweisen.
  14. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Trägerelementen (5,6) elektrisch leitende Kontaktelemente (10,11) angeordnet sind, wobei die einen Kontaktelemente das Innenrohr (2) und die anderen Kontaktelemente das Außenrohr (1) elektrisch kontaktieren.
  15. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Außenrohr (1) wenigstens an der einen Seite der Elektrolyt-Elektrodeneinheit (4) ein Verteilraum (13,14) für Luft und/oder für Brenngas ausgebildet ist, wobei aus dem Verteilraum (13,14) Luft oder Brennstoff in die Trägerelemente (5 oder 6) gelangt.
  16. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem der Verteilräume (13,14) wenigstens eine Feder (15,16) angeordnet ist, die die Trägerelemente (5,6) gegeneinander drückt.
  17. Rohrförmige Brennstoffzelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (21) eine solche mit NTC-Verhalten ist und mit einem Pol an das Außenrohr (1) oder das Innenrohr (2) angeschlossen ist.
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