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Die Erfindung betrifft eine rohrförmige Brennstoffzelle,
bei der Brenngas und Luft in Rohrlängsrichtung eines rohrförmigen,
zwischen Elektroden liegenden Elektrolyten geführt sind.
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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.
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Eine rohrförmige Brennstoffzelle ist auch
in der
US 6 127 766 beschrieben.
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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.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
rohrförmige
Brennstoffzelle der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei der
die Temperaturänderung
in Rohrlängsrichtung
der Brennstoffzelle möglichst
gering ist.
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Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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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.
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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.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 bis 4 ein erstes Ausführungsbeispiel,
wobei 1 ein schematischer
Längsschnitt einer
rohrförmigen
Brennstoffzelle,
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2 ein
Querschnitt längs
der Linie I-I der 1,
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3 ein
Querschnitt längs
der Linie II-II nach 1 und 4 ein Querschnitt längs der
Linie III-III der 1 ist,
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5 eine
gegenüber
den anderen Figuren vergrößerte Detailansicht
des Substrataufbaus einer Elektrolyt-Elektrodeneinheit,
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6 und 7 ein zweites Ausführungsbeispiel,
wobei 6 ein schematischer
Längsschnitt einer
rohrförmigen
Brennstoffzelle und
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7 ein
Querschnitt längs
der Linie VII-VII der 6 ist,
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8 und 9 ein drittes Ausführungsbeispiel, wobei
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8 ein
schematischer Längsschnitt
einer rohrförmigen
Brennstoffzelle und
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9 ein
Querschnitt längs
der Linie IX-IX der 8 ist,
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10 und 11 ein viertes Ausführungsbeispiel,
wobei 10 ein schematischer
Längsschnitt einer
rohrförmigen
Brennstoffzelle und
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11 ein
Querschnitt längs
der Linie XI-XI der 10 ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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).
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die beschriebenen Einzelmerkmale
der Ausführungsbeispiele
lassen sich auch miteinander kombinieren.