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Die Erfindung bezieht sich auf eine
tubulare Hochtemperatur-Brennstoffzelle
(SOFC) mit einem die Kathode bildenden oder die Kathode tragenden Grundkörper, einen
oxidkeramischen Elektrolyten und einer Anode, wobei die Kathode
und die Anode Strombahnen mit Strombahnwiderständen bilden und weiterhin aufgrund
von elektrochemischen Prozessen Polarisationswiderstände aufweisen.
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Die Funktion einer festkeramischen
Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die auch als sogenannte SOFC (Solid
Oxide Fuel Cell) bezeichnet wird, ist im Einzelnen beispielsweise
in VIK-Berichte, Nr. 214, Nov. 1999 „Brennstoffzellen", Seiten
49 ff. beschrieben. Der dort als Röhrenkonzept der Brennstoffzelle beschriebene
Aufbau bildet die Grundlage für
die tubulare Brennstoffzellenstruktur mit Interkonnektor auf jedem
Rohr, der es ermöglicht,
die Kathodenseite elektrisch anzuschließen. In der älteren,
nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung
DE
101 36 710.4 werden auf der Grundlage des Röhrenkonzeptes
sog. HPD(High Power Density)-Brennstoffzellen vorbeschrieben, bei
denen mehrere Röhren
zu einem Bauteil zusammengefasst sind. Diesem Konzept wird für die Zukunft
ein großes
Potential zugemessen. Es muss jedoch für praktische Bedürfnisse verbessert
werden.
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Bei der tubularen SOFC tragen die
Strombahnwiderstände
von Anode und Kathode zum Innenwiderstand bei und führen damit
zur Minderung der elektrischen Leistung. Gleiches gilt für die durch elektrochemische
Prozesse verursachten Polarisationswiderstände von Anode und Kathode.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
den Anodenanteil am Innenwiderstand zu vermindern. Dabei sollen
insbesondere ver schiedene Maßnahmen bei
der Fertigung der tubularen Zellen kombiniert werden.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Bei der Erfindung ist der Anode zur
Verringerung des Anodenanteiles am Innenwiderstand ein elektronenleitfähiges systembildendes
zusätzliches Bauteil
zugeordnet. Insbesondere ist dieses Bauteil defacto elektrisch parallel
zur Anodenoberfläche
geschaltet, so dass es den Bahnwiderstand maßgeblich beeinflusst. Somit
lässt sich
nunmehr ein vorgegebener Bahnwiderstand einstellen.
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Bei der Erfindung wird insbesondere
denjenigen tubularen Brennstoffzellen Rechnung getragen, bei denen
die Anoden als Ausgangssubstanz unter anderem Nickeloxid enthalten,
das bei oder vor Inbetriebnahme zu elementarem Nickel umgewandelt wird.
Bisherige Anoden, die bereits bei Beginn des Herstellungsprozesses
elementares Nickel enthalten, sind hinsichtlich des Bahnwiderstandes
mittels ausreichender Leitfähigkeit
optimiert. Zu den Einflussparametern der Leitfähigkeit zählen Schichtdicke, Nickelgehalt,
Nickelgerüststruktur
sowie der Herstellungsprozess. Der Polarisationswiderstand von Anoden
auf der Ausgangsbasis von elementarem Nickel ist allerdings vergleichsweise
höher als der
von Anoden auf der Ausgangsbasis von Nickel-Oxid (NiO). Solche Anoden
zeigen dagegen einen hohen Bahnwiderstand und waren deshalb bisher
speziell bei tubularen Zellen nicht verwendbar.
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Letzterer Nachteil ist nunmehr beseitigt. Durch
Kombination von Anoden auf Nickel-Oxid-Basis mit dem zusätzlichen
Bauteil, dass das elektronenleitfähige System bildet, kann beispielsweise
bei Verwendung eines Netzes aus Nickel-Draht dieses Netz derart
ausgelegt und an der tubularen Zelle befestigt werden, dass es den
Bahnwiderstand merklich verringert auf Werte unterhalb der bisherigen
Anode, ohne dass der Po1arisationswiderstand der zugrunde gelegten
Nickel-Oxid-basierenden Anode merklich erhöht wird. Die Anbringung des
leitfähigen
Systems erfolgt vorteilhafterweise mit einem Kleber, der ebenfalls
metallisches Nickel enthält.
Die Klebeverbindung wird temperatur- und oxidationsbeständig ausgeführt.
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Vorstehend erläuterte Erfindung ist aber nicht
allein auf die bekannten nickelbasierten Anoden beschränkt. Es
sind nämlich
kürzlich
in der nicht vorveröffentlichten
DE 101 63 013 .1 Anoden
auf Edelmetallbasis, insbesondere auf der Grundlage von Palladium,
vorbeschrieben worden, wobei dort deren vorteilhaften Eigenschaften
im Einzelnen untersucht werden. Daher ist die Erfindung auch für tubulare Hochtemperatur-Brennstoffzellen
mit edelmetallbasierten Anoden anwendbar.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung
von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
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1 den
Schnitt durch eine einzelne zylindrische Brennstoffzelle, die eine
einzige Röhre
bildet,
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2 den
Querschnitt einer tubularen Brennstoffzelle aus vier integrierten
Röhren (HPD-Zelle)
und
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3 die
Draufsicht auf eine tubulare Brennstoffzelle aus 2.
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In 1 stellt
bei einer zylindrischen Zelle 1 die Keramikstruktur 4 entweder
die Kathode der Brennstoffzelle dar oder sie trägt eine als Kathode wirkende
Zwischenschicht. Auf der Kathode 4 ist in bekannter Weise
ein Elektrolyt 6 und eine Anode 8 aufgebracht.
Das Material des Elektrolyten ist in bekannter Weise dotiertes Zirkoniumdioxid.
Weiterhin ist ein sogenannter Interkonnektor 9 vorhanden,
der zum elektrischen Anschluss der Kathode 4 dient.
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Der Schichtaufbau aus Kathode 4,
Elektrolyt 6 und Anode 8 realisiert eine funktionsfähige Brennstoffzellenstruktur.
In den Hohlraum der Brennstoffzellenstruktur 1 wird Luft
als Oxidans eingebracht, während
von außen
das Brenngas der Anode 8 zugeführt wird.
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Bei einem derartigen Aufbau sind
für die
eine angestrebte, möglichst
große
Leistungsausbeute hinreichend geringe Werte der Bahnwiderstände von Kathode
und Anode wichtig. Diese werden im Allgemeinen für den jeweiligen Anwendungszweck
optimiert. Insbesondere für
die Anode, die als Funktionsschicht auf den Aufbau aus Kathode und
Elektrolyt aufgebracht wird, lässt
sich die elektronische Leitfähigkeit
durch Einflussparameter bei der Herstellung, insbesondere durch
die Schichtdicke, beeinflussen.
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Sofern die Anoden im endgültigen Betriebszustand
elementare Metalle enthalten, ist für den elektrischen Widerstand
weiterhin der Nickelgehalt, die Nickelgerüststruktur, aber auch der Herstellungsprozess,
von Bedeutung. Beim Betrieb der Brennstoffzellen ergeben sich allerdings
zusätzlich
Polarisationswiderstände
an den Elektroden.
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Der Polarisationswiderstand von Anoden
auf der Ausgangsbasis von Nickeloxid (NiO) ist dabei vergleichsweise
niedriger als der von Anoden auf der Ausgangsbasis von elementarem
Nickel. Der höhere Bahnwiderstand
hat den Einsatz von Anoden auf NiO-Basis bei tubularen Zellen jedoch bisher
verhindert, was nunmehr möglich
erscheint.
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Aus der 1 ist
ersichtlich, dass auf der Anode 8 ein Netz angebracht ist.
Wenn das auf der Anode 8 aufliegende Netz 20 elektrisch
dem Bahnwiderstand der Anode 8 parallel geschaltet ist,
ergibt sich durch die Parallelwiderstände ein resultierender Bahnwiderstand,
der durch das Element mit dem geringeren Widerstand bestimmt wird.
Dadurch kann durch geeignete Gestaltung des Netzes 20 der
Bahnwiderstand vorgege ben und damit der Gesamtwiderstand der Anode 8 bestehend
aus Bahn- und Polarisationswiderstand verringert werden.
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In 2 ist
eine spezielle tubulare Brennstoffzellenstruktur mit 2 bezeichnet.
Es ist ein gemeinsamer Keramikkörper 10 gebildet,
der vier Röhren 14 bis 14" ` umfasst, die somit eine gemeinsame Brennstoffzelle
bilden. Eine solche Brennstoffzelle wird auch als HPD(High Power
Density)-Brennstoffzelle bezeichnet, da hier ein günstiges
Verhältnis
von elektrischer Leistung zum Materialbedarf erreicht wird. Auf
dem Grundkörper 10 befinden
sich in 2 nicht näher dargestellte,
als Kathode und Elektrolyt wirkende Zwischenschichten und eine Anode 12.
Als Funktionsschichten sind die Elektroden mit dazwischen angeordnetem
Elektrolyt in entsprechender Weise wie in 1 ausgebildet.
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In 2 ist
auf dem Keramikkörper 10 mit Anode 12 ebenfalls
ein Netz 20 angebracht. Im Prinzip ergibt sich somit die
gleiche Funktion wie in 1.
Aus der Draufsicht gemäß 3 ist das Netz 20 als
Auflage auf der Anode 12 ersichtlich.
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Das in den 1 und 2 dargestellte
Netz 20 kann die gesamte Anode 8 bzw. 12 bedecken.
Es auch möglich,
jeweils nur ein Teil der Anode 8 oder 12 mit dem
Netz 20 zu verbinden.
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Das Netz 20 der 1 und 2 kann in vorgegebener Weise zum Erreichen
eines bestimmten elektrischen Widerstandes ausgelegt sein. Für den ohmschen
Widerstand eines solchen Netzes 20 sind insbesondere die
Drahtstärke,
die Schlaufenweite, das Material bestimmend. Sofern mit Anoden aus
Nickel gearbeitet wird, kann ein Nickelnetz konzipiert werden, dessen
elektrischer Widerstand geringer ist als der Widerstand der dünnen Anodenschicht.
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Das Netz 20 aus Nickeldraht
realisiert also ein elektronenleitfähiges System, das so ausgelegt und
angebracht werden kann, dass es durch elektrische Parallelschaltung
den Bahnwiderstand der Anode 8 bzw. 12 merklich
auf Werte unterhalb einer Anode ohne Netz verringert. Ansonsten
bleiben die Eigenschaften der Anode 8 bzw. 12 unverändert, d.h. der
Polarisationswiderstand der Anode 8 bzw. 12 selbst
wird nicht merklich verändert.
Die Anbringung des leitfähigen
Bauteils zwecks Realisierung der elektrischen Parallelschaltung
erfolgt mit einem in den Figuren nicht dargestellten elektrisch
leitenden Kleber, der metallisches Nickel enthält. Die Klebeverbindung wird
temperatur- und oxidationsbeständig ausgeführt.
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Die vorstehend beschriebenen Beispiele
und die diesen Beispielen zugrunde liegenden Untersuchungen beziehen
sich auf Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Anoden auf Nickelbasis.
Es wurde bereits auch untersucht, ob und auf welcher Basis Anoden
ohne Nickeloxid verwendbar sind. In der älteren, nicht vorveröffentlichten
Patentanmeldung
DE 101 63 013.1 der
Anmelderin, auf deren Offenbarung hier zurückgeriffen wird, werden insbesondere
Anoden auf der Basis von Palladium beschrieben und es wird dort
im Einzelnen aufgezeigt, dass solche Anoden für den Einsatz bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen
geeignet sind.
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Auch für derartige Brennstoffzellen
mit edelmetallbasierten Anoden ist das beschriebene elektronenleitfähige System
einsetzbar, wobei hier an die Widerstände selbst andere Anforderungen
gestellt werden. Das Netz kann dann entweder wiederum aus Nickel
bestehen. Es kann aber auch in Analogie zum beschriebenen Beispiel
durch ein Netz aus einem Edelmetall, insbesondere aus Palladium,
ersetzt werden.