DE112004002358B4

DE112004002358B4 - Feststoffoxid-Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112004002358B4
Application number: DE112004002358T
Authority: DE
Inventors: Fuminori Yokohama Satou; Yasushi Kawasaki Nakajima
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: CA2547813C; US7632594B2; JP4682511B2; CA2547813A1; US20070111067A1; WO2005055350A1; DE112004002358T5; JP2005166423A

Abstract

Feststoffoxid-Brennstoffzelle, bei welcher vorgesehen sind:
mehrere Elemente (20) zur Erzeugung elektrischen Stroms, die in einer Stapelrichtung gestapelt sind, und jeweils einen Feststoffoxid-Elektrolyten (21) und poröse Elektrodenabschnitte (22, 23) aufweisen;
mehrere erste Stromsammelschichten (31, 131, 231, 331, 431), die an die porösen Elektrodenabschnitte (22, 23) angeschlossen sind;
zumindest ein Separator (2), der zwischen benachbarten Elementen (20) zur Erzeugung elektrischen Stroms angeordnet ist, um benachbarte Elemente (20) miteinander zu verbinden, so dass die Elemente (20) elektrisch in Stapelrichtung verbunden sind;
ein Gaszufuhrkanal (7, 8), der zwischen dem zumindest einen Separator (2) und einer der ersten zugeordneten Stromsammelschichten (31, 131, 231, 331, 431) vorgesehen ist;
mehrere Gaszufuhrabzweigkanäle (9, 10), die von dem Gaszufuhrkanal (7, 8) abzweigen und den Elektrodenabschnitt (22, 23) des zugehörigen der Elemente (20) zur Erzeugung elektrischen Stroms erreichen, wobei der Gaszufuhrkanal (7,8) und die Gaszufuhrabzweigkanäle (9, 10) zum Zuführen von Prozessgas zu dem zugehörigen Elektrodenabschnitt...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Feststoffoxid-Brennstoffzellen.
Allgemein gesprochen, ist eine Brennstoffzelle eine Einrichtung, in der eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas, beispielsweise einem wasserstoffhaltigen Gas, und einem Oxidationsgas, beispielsweise Luft, die Sauerstoff enthält, stattfindet. Dies elektrochemische Reaktion erfolgt in einer Elektrolytschicht, wobei direkt elektrische Energie abgegeben wird. Abhängig von der Art des Elektrolyten wird die Brennstoffzelle typischerweise als Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC), Feststoffoxid-Brennstoffzelle (SOFC) oder als Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) bezeichnet.
Unter diesen Brennstoffzellen erfüllt die Feststoffoxid-Brennstoffzelle aus verschiedenen Gründen, wie beispielsweise der einfachen Handhabung, da ein Elektrolyt eingesetzt wird, der aus einem Feststoffoxid mit Sauerstoffionenleitfähigkeit besteht, des hohen Erzeugungswirkungsgrades für elektrische Energie, in Bezug auf Abwärme bei hohen Temperaturen und der Verfügbarkeit des Brenngas über einen weiten Bereich, die Erwartungen, die an eine Energieversorgung für bewegende Einrichtungen und ortsgebundene Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung gestellt werden.
Eine derartige Feststoffoxid-Brennstoffzelle wird in den Typ mit einem zylinderförmigen Aufbau und den Typ mit einem flachen Aufbau bezüglich der konstruktiven Merkmale unterteilt. Der Typ des zylindrischen Aufbaus weist einen zylindrischen Elektrolyten auf, dessen innere und äußere Oberfläche jeweils mit einer Elektrode versehen ist. Der Typ mit flachem Aufbau weist einen rechteckigen oder kreisförmigen, flachen Elektrolyten auf, dessen beide Oberflächen mit Elektroden versehen sind. Diese Elektroden des Typs mit flachem Aufbau weisen ein höheres Potential als die Elektroden des Typs mit zylindrischem Aufbau auf, so dass eine Anordnung mit hoher Energiedichte ausgebildet werden kann.
Weiterhin sind bei einer derartigen Brennstoffzelle mit flachem Aufbau flache Erzeugungselemente für elektrische Energie, die jeweils eine Elektrolytschicht aufweisen, bei der beide Oberflächen mit einer Brennstoffelektrodenschicht und einer Luftelektrodenschicht zusammenlaminiert sind, und Separatoren, die als Verbindungselemente dienen, bei denen jeweils eine Oberfläche mit Brenngaskanälen und die andere Oberfläche mit Luftkanälen versehen ist, abwechselnd aufeinander gestapelt, wobei eine Stapelkonstruktion mit einer hohen Belastung in Stapelrichtung eingesetzt wird, um eine Gasabdichtung und elektrische Verbindungen sicherzustellen.
Weiterhin wurden bislang Vorschläge gemacht, eine Elektrolytträgeranordnung zur Verfügung zu stellen, bei der zur Ausbildung der Elektrolytschicht in einer Dünnfilmanordnung zur Verringerung des elektrischen Widerstands entweder eine poröse Brennstoffelektrode oder eine poröse Luftelektrode als Trägerelement eingesetzt wird, auf dem eine Elektrolytschicht und die andere Elektrodenschicht ausgebildet werden.
Bei der Brennstoffzelle wird chemische Energie, die von der Oxidation von Brenngas herrührt, als elektrische Energie abgegeben, und die übrige Energie wird als Wärme verbraucht. Beispielsweise tritt Joul'sche Wärme infolge des Innenwiderstands der Zelle aufgrund des Stromflusses auf, der in der Stromerzeugungs-Zelle erzeugt wird. Da diese erzeugte Wärme proportional zur Stromdichte bei jeweiligen Orten auftritt, führt das Vorhandensein eines Ungleichgewichtes der Stromdichte auf einer Oberfläche zur Erzeugung elektrischer Energie zu einem Ungleichgewicht bezüglich der Temperatur auf dieser Oberfläche.
Wenn die Feststoffoxid-Brennstoffzelle eine Zelle zur Erzeugung elektrischer Energie ist, die aus Keramik besteht, ist die Wärmeleitfähigkeit gering, was dazu führt, dass Schwierigkeiten in Bezug auf die Temperaturdifferenz in der Ebene in der Zelle auftreten. Weiterhin führt der Einsatz von Separatoren, die aus Keramik bestehen, dazu, dass sämtliche Bauteile aus Keramik ausgebildet sind, was zu einer weiteren Erhöhung der Temperaturdifferenz in der Ebene führt. Daher werden das Brenngas und das Oxidationsgas als geeignete Maßnahmen zum Kühlen der Stromerzeugungs-Zelle, bei der ein Wärmeanstieg infolge der Erzeugung elektrischer Energie auftritt, verwendet. Hierbei nimmt das Oxidationsgas mit einer hohen Flussrate die Vorreiterrolle ein.
Weiterhin nimmt in Bezug auf die Eigenschaften der Feststoffoxid-Brennstoffzelle das Ausmaß der Sauerstoffionenbewegung in Bereichen mit hohen Temperaturen zu, was zu einer Verringerung des inneren Widerstands führt, so dass ein Brenngaseinlassabschnitt, der ursprünglich eine hohe Stromdichte aufwies, eine weiter erhöhte Stromdichte aufnimmt, was dazu führt, dass eine weitere Erhöhung der Temperaturdifferenz in der Ebene der Zelle zur Erzeugung elektrischer Energie hervorgerufen wird. Dies führt zu einem Temperaturabfall des Oxidationsgas-Flusseinlassabschnitts, so dass der Brenngaseinlassabschnitt ein Verteilungsmuster mit erhöhten Temperaturen aufweist, so dass Spannungen infolge von Wärmebeanspruchungen auftreten.
Die JP 2002-203579 A (siehe Seite 9 und 1) beschreibt eine Brennstoffzelle, die einen Aufbau aufweist, bei welchem als Gegenmaßnahme zum Verhindern einer Konzentrationsverteilung und einer Temperaturdifferenz in Gasen, die zum Auftreten einer Temperaturdifferenz in einer Oberfläche zur Erzeugung elektrischer Energie führen, Gas vorgeheizt wird und von mehreren Ausblasöffnungen zu einer Zelle hin abgegeben wird.
Aufgrund von Untersuchungen, die von den vorliegenden Erfindern durchgeführt wurden, neigt die Brennstoffzelle mit einer derartigen Konstruktion dazu, dass bei Verwendung von vorgeheizten Gas, Schwierigkeiten in Bezug auf die Erzeugung einer Temperaturverteilung mittels Kühlung unter Verwendung des abgegebenen Gases auftreten. Andererseits strömt das gesamte, abgegebene Gas über eine Oberfläche der Zelle und wird zu deren Außenbereich abgegeben. Gas, das in der Nähe eines zentralen Bereiches der Zelle abgegeben wird und eine Reaktion bei der Zelle hervorruft, mischt sich daher mit Gas, das an den Außenbereich abgegeben wird.
Insbesondere ist es selbst bei der Brennstoffzelle mit einer derartigen Konstruktion immer noch möglich, dass Gas eine hohe Konzentration im zentralen Bereich und eine niedrige Konzentration im Außenbereich aufweist, wobei eine entsprechende Wärmespannungsverteilung auf der Oberfläche auftritt. Insbesondere sind bei Verwendung eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs, beispielsweise Methan und Dimethylether, einige Mol an Gas, das reagiert hat, auf der Brennstoffelektrode vorhanden, in Bezug auf ein Mol des Brennstoffs, und daher tritt ein weiter erhöhter Gaskonzentrati onsgradient auf, mit der Neigung zu einer weiteren Erhöhung der Wärmespannungsverteilung, die in der Oberfläche zur Erzeugung elektrischer Energie hervorgerufen wird.
Die Druckschrift DE 100 33 898 A1 offenbart eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, umfassend eine Anode, einen Elektrolyten, eine Kathode sowie einen Kathodeninterkonnektor und einen Anodeninterkonnektor, wobei zwischen Anode und Anodeninterkonnektor mindestens ein elastisches Mittel zum Auffangen von Relativbewegungen angeordnet ist. Eine ähnliche Feststoffoxid-Brennstoffzelle mit spannungabsorbierenden Schichten ist aus der US 2003/0012995 A1 bekannt. Die weiteren Druckschriften US 6,207,312 B1 , US 2002/0086200 A1 und JP 60-227361 A offenbaren verschiedene Anordnungen von Strömungskanälen in Brennstoffzellen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, in der innere Wärmespannungen ausgleichen werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden technischen Lehre weist eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle auf: mehrere Elemente zur Erzeugung elektrischer Energie, die in Stapelrichtung gestapelt sind und jeweils einen Feststoffoxidelektrolyten und poröse Elektrodenabschnitt aufweisen, welchen Gase zugeführt werden; mehrere erste Stromsammelschichten, die an die jeweiligen Elektrodenabschnitte angeschlossen sind, die porös sind; zumindest einen Separator, der zwischen zumindest einem Paar benachbarter Elemente zur Erzeugung elektrischer Energie angeordnet ist, um elektrisch das zumindest eine Paar mit benachbarten Paaren zu verbinden, so dass die mehreren Elemente zur Erzeugung elektrischer Energie elektrisch in Stapelrichtung verbunden sind; mehrere Gaszufuhrabzweigkanäle, die von dem Gaszufuhrkanal abzweigen und den Elektrodenabschnitt des zugehörigen Elements unter den mehreren Elementen zur Erzeugung elektrischer Energie erreichen; und mehrere Gasauslasskanäle, die ermöglichen, dass ein Gasrest, der dem zugehörigen Element der mehreren Elemente zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt wird, über die mehreren Gaszufuhrabzweigkanäle, über die zugehörige Schicht der ersten Stromsammelschichten abgegeben wird.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1A eine schematische Querschnittsansicht, die eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre erläutert;
1B eine typische Ansicht, welche den Gasfluss auf einer Oxidationsmittelelektrodenoberfläche der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert;
2A eine Draufsicht auf einen Separator der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform, mit einer Ansicht, bei welcher der Separator, der jeweils in der Mitte einer Anordnung von 1A gestapelt ist, in Richtung Z betrachtet wird;
2B ein Querschnitt entlang der Linie A-A von 2A;
2C ein Querschnitt entlang der Linie B-B von 2A;
2D eine Draufsicht auf eine Stromsammelschicht der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform, mit einer Ansicht, bei welcher die Stromsammelschicht, die jeweils auf die Oberseite der Anordnung in 1A aufgestapelt ist, in Richtung Z betrachtet wird;
2E ein Querschnitt entlang der Linie C-C von 2D;
3A eine schematische Querschnittsansicht, die eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre erläutert;
3B eine vergrößerte Querschnittsansicht eines in 3A gezeigten Teils, und eine typische Ansicht zur Erläuterung des Gasflusses auf einer Oxidationsmittelelektrodenoberfläche der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
4A eine Draufsicht auf eine Stromsammelschicht für ein rechteckiges Element zur Erzeugung elektrischer Energie einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre, entsprechend dem Aufbau von 2D;
4B ein Querschnitt entlang der Linie D-D von 4A;
4C eine Draufsicht auf eine Stromsammelschicht für ein kreisförmiges Element zur Erzeugung elektrischer Energie der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform bei einer Betrachtung entsprechend dem Aufbau von 2D;
5A eine Draufsicht auf eine Stromsammelschicht einer abgeänderten Form der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform, um eine Ansicht entsprechend dem Aufbau gemäß 2D zur Verfügung zu stellen;
5B ein Querschnitt entlang der Linie E-E von 5A;
6A eine Draufsicht auf eine Stromsammelschicht einer anderen, abgeänderten Art der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform, und entspricht einer Ansicht gemäß 2D;
6B ein Querschnitt entlang der Linie F-F von 6A;
7A eine schematische Querschnittsansicht einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre;
7B eine vergrößerte Querschnittsansicht eines in 7A gezeigten Teils, und eine typische Ansicht, die einen Gasfluss auf einer Oxidationsmittelelektrode der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden technischen Lehre erläutert;
8A eine Draufsicht auf eine Stromsammelschicht einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle einer fünften Ausführungsform gemäß der vorliegenden technischen Lehre, und eine Ansicht, in welcher die Stromsammelschicht, die oben auf die in 7A gezeigte Anordnung aufgestapelt ist, in einer Richtung Z' betrachtet wird;
8B ein Querschnitt entlang der Linie G-G von 8A;
9 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre, und eine typische Ansicht, welche den Gasfluss auf einer zugeordneten Oxidationsmittelelektrodenoberfläche erläutert;
10A eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform und eine typische Ansicht, welche den Gasfluss auf einer zugehörigen Brennstoffelektrodenoberfläche erläutert;
10B ist eine vergrößerte Ansicht eines in 10A gezeigten Teils;
11 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre und eine typische Ansicht, welche den Gasfluss auf einer zugehörigen Oxidationsmittelelektrodenoberfläche erläutert; und
12 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre und eine typische Ansicht, welche den Gasfluss auf einer zugehörigen Brennstoffelektrodenoberfläche erläutert.
Nachstehend werden Feststoffoxid-Brennstoffzellen jeweiliger Ausführungsformen der vorliegenden technischen Lehre im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Hierbei sind gleiche Bauteile der verschiedenen Ausführungsformen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, um die Beschreibung zu verkürzen oder zu vereinfachen.
(Erste Ausführungsform)
Zuerst wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 1A bis 2E eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre beschrieben.
1A ist eine schematische Querschnittsansicht, welche die Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre erläutert; 1B ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils einer in 1A gezeigten Anordnung und eine typische Ansicht, welche den Gasfluss auf einer Oxidationsmittelelektrodenoberfläche der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der momentanen Ausführungsform erläutert; 2A ist eine Draufsicht auf einen Separator der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform, der typischerweise stapelförmig in der Mitte der in 1A gezeigten Anordnung angeordnet ist, und in Richtung Z betrachtet wird; 2B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 2A; 2C ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 2A; 2D ist eine Draufsicht auf eine Stromsammelschicht der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform, die typischerweise stapelförmig auf der Oberseite der in 1A gezeigten Anordnung angeordnet ist, und in Richtung Z betrachtet wird; und 2E ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C von 2D.
Erstens besteht, wie grundsätzlich in den 1A und 1B gezeigt, die Feststoffoxid-Brennstoffzelle (nachstehend auch als ein Stapel bezeichnet) 1 aus Elementen 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms, bei denen jeweils beide Oberflächen mit Stromsammelschichten 31 versehen sind, die aus porösen, elektrischen Leitern bestehen, und mit Separatoren 2, die abwechselnd gestapelt angeordnet sind.
Jedes Element 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms weist eine Elektrolytschicht 21, die auch als Trägerelement dient, eine Oxidationsmittelelektrode 22 und eine Brennstoffelektrode 23 auf, die auf beiden Oberflächen der Elektrolytschicht 21 vorgesehen sind, wobei die Oxidationsmittelelektrode 22 und die Brennstoffelektrode 23 porös sind. Weiterhin weisen die Elektrolytschicht 21, die Oxidationsmittelelektrode 22, die Brennstoffelektrode 23 und die Stromsammelschichten 31 jeweils die Form einer flachen Platte auf.
Insbesondere enthält das Element 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms acht Mol-% mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid (nachstehend abgekürzt als 8YSZ) als die Elektrolytschicht 21, La_xSr_1-xCo₀₃ (nachstehend abgekürzt als LSC) als die Oxidationsmittelelektrode 22, die auf der Elektrolytschicht 21 vorgesehen ist, und NiO-YSZ-Cermet als die Brennstoffelektrode 23, die auf der Elektrolytschicht 21 vorgesehen ist.
Die Stromsammelschichten 31 bestehen aus porösen, elektrischen Leitern, beispielsweise aus einem feinen Metalldrahtgeflecht oder aus geschäumtem Metall, die aus wärmebeständigen Metallen wie beispielsweise Edelstahl bestehen. Die Stromsammelschichten sind plattenförmig ausgebildet, wobei jede eine Oberfläche aufweist, die gegen das Element 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms anliegt und mit Ausnehmungen in Form von Sacklochabschnitten 32a versehen ist, die sich über die Länge und Breite der Oberfläche erstrecken.
Die ausgenommenen Sacklochabschnitte 32a dienen jeweils als Ablasskanäle 13 für oxidiertes Gas, wenn die Stromsammelschicht 31 auf der Oxidationsmittelelektrode 22 angeordnet ist, und dienen als Brenngas-Ablasskanäle 14, wenn die Stromsammelschicht 31 auf der Brennstoffelektrode 23 angeordnet ist.
Bei der Ausbildung der Oxidationsgas-Ablasskanäle 13 oder der Brenngas-Ablasskanäle 14 auf der Stromsammelschicht 31 wird eine Oberfläche der Stromsammelschicht 31 teilweise in Gitterform heruntergedrückt oder bei der Sacklochbearbeitung verschweißt, um die Sacklochabschnitte 32a auszubilden. Weiterhin wird beim stapelförmigen Anordnen der Elemente 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms, der Stromsammelschichten 31, und der Separatoren 2 in dem Stapel 1 eine entsprechende Sacklocherzeugungsbearbeitung von Seitenoberflächen der Stromsammelschichten 31 durchgeführt, um Sacklochabschnitte 32b auszubilden, damit Gaslecks von den Seitenoberflächenabschnitten der Stromsammelschichten verhindert werden.
Weiterhin ist, wie grundsätzlich in den 2A bis 2E gezeigt, jeder Separator 2 aus wärmebeständigem Metall wie beispielsweise Edelstahl der Ferritfamilie hergestellt, wobei der Stapel so aufgebaut ist, dass mehrere Zellen übereinander gestapelt angeordnet sind. Jeder Separator 2 weist eine Oxidationsgas-Versorgungsrohrverzweigung 3, durch welche Oxidationsgas, beispielsweise Luft, jeder Schicht zugeführt wird, eine Brenngas-Versorgungsrohrverzweigung 4, über welche Brenngas zugeführt wird, eine Oxidationsgas-Ablassrohrverzweigung 5, durch welche Gase, die in jeweiligen Schichten eingesetzt werden, zur Außenseite des Stapels abgegeben werden, und eine Brenngas-Ablassrohrverzweigung 6 auf.
Auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche jedes Separators 2 sind mehrere Vorsprünge 11 vorgesehen, und zwar sechzehn Teile auf vier Linien mal vier Reihen, und es sind Abschnitte mit Ausnehmungen vorgesehen, die sich über die Länge und die Breite zwischen benachbarten Vorsprüngen 11 erstrecken, um einen Gaszufuhrkanal 7 oder einen Brenngaszufuhrkanal 8 auszubilden.
In jeder Zelle, welche den Stapel 1 bildet, wird Oxidationsgas wie beispielsweise Luft über die Oxidationsgas-Zufuhrrohrverzweigung 3 dem Gaszufuhrkanal 7 zugeführt, der zwischen jedem Separator 2 und der zugehörigen Stromsammelschicht 31 vorhanden ist, und fließt dann durch Oxidationsgas-Zufuhrabzweigkanäle 9, die innerhalb der Stromsammelschicht 31 vorgesehen sind, in zugehörige Gasauslassanschlüsse 12, von denen Oxidationsgas zu gegenüberliegenden Oberflächen des Elements 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms und zu zugehörigen, benachbarten Bereichen (ersten Bereichen A1) der Stromsammelschicht 31 abgegeben wird.
Dann wird Sauerstoff in dem Oxidationsgas auf der Oberfläche der Oxidationsmittelelektrode 22 ionisiert und in das Element 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms eingebracht. Verbrauchtes Gas mit einer verringerten Sauerstoffkonzentration fließt über die Oberfläche des Elements 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms auf die Oberfläche des Elements 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms in einem Bereich, der von den ersten Bereichen verschieden ist, über benachbarte, zweite Bereiche A2 der Stromsammelschicht 31, über welche verbrauchtes Gas in die Oxidationsgas-Ablasskanäle 13 fließt, und wird über die Oxidationsgas-Ablassrohrverzweigung 5 zur Außenseite des Stapels abgegeben. Weiterhin ist bei den Oxidationsgas-Ablasskanälen 13 eine Sacklochbearbeitung durchgeführt, und verbrauchtes Gas kann von Eckbereichen CR, die jeweils als eine Grenze zwischen der Oberfläche der Oxidationsmittelelektrode 22 und dem Oxidationsgas-Ablasskanäle 13 dienen, in die Oxidationsgas-Ablasskanäle 13 fließen.
Ein derartiger Gasfluss findet entsprechend auf der Brennstoffelektrode statt, und Brenngas wie beispielsweise Gas, das Wasserstoff enthält, fließt nacheinander durch die Brenngas-Zufuhrrohrverzweigung 4, den Brenngas-Zufuhrkanal 8, die Brenngas-Zufuhrabzweigkanäle 10 und die Gasauslassanschlüsse 12 und wird dann in das Element zur Erzeugung elektrischen Stroms eingebracht. Brenngas, das dem Element zur Erzeugung elektrischen Stroms zugeführt wird, reagiert mit Sauerstoffionen auf der Oberfläche der Brennstoffelektrode 23, und verbrauchtes Gas, mit einer verringerten Konzentration wirksamer Gasbestandteile, wird von den Brenngas-Ablasskanälen 14 zur Außenseite des Stapels über die Brenngas-Ablassrohrverzweigung 6 abgelassen.
Der Oxidationsgas-Zufuhrkanal 7 verzweigt sich auf mehrere Oxidationsgas-Zufuhrabzweigkanäle 9 in der Stromsammelschicht 31 und untere Enden der jeweiligen Oxidationsgas-Zufuhrabzweigkanäle 9 dienen als die mehreren Gasauslassanschlüsse 12, die an der unteren Oberfläche der Stromsammelschicht 31 vorgesehen sind.
Entsprechend verzweigt sich der Brenngas-Zufuhrkanal 8 auf mehrere Brenngas-Zufuhrabzweigkanäle 10 in der Stromsammelschicht 31, und dienen obere Enden der jeweiligen Brenngas-Zufuhrabzweigkanäle 10 als die mehreren Gasauslassanschlüsse 12, die an der oberen Oberfläche der Stromsammelschicht 31 vorgesehen sind.
Die Gasauslassanschlüsse 12, die auf der oberen Oberfläche oder der unteren Oberfläche der Stromsammelschicht 31 vorgesehen sind, weisen infolge von vier Linien mal vier Reihen auf jeder Oberfläche eine Gesamtanzahl von 16 auf. Jedoch ist selbstverständlich die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Anzahl an Gasauslassanschlüsse 12 beschränkt, da die Anzahl geeignet in Abhängigkeit von Abmessungen des Separators und des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms und in Abhängigkeit von Gasverbrauchsraten festgelegt werden kann.
Zwischen den benachbarten Gasauslassanschlüsse 12 ist der Oxidationsgas-Ablasskanal 13 oder der Brenngas-Ablasskanal 14 vorgesehen, die durch die Sacklochabschnitte 32b festgelegt werden, durch welche die Stromsammelschicht 31 mit Ausnehmungen versehen ist.
Hierbei kann, obwohl dies bei der vorliegenden Ausführungsform nicht dargestellt ist, eine Pumpe vorgesehen sein, um Abgase (Gase, die reagiert haben) abzuziehen, die zur Außenseite des Stapels über die Oxidationsgas-Ablassrohrverzweigung 5 oder die Brenngas-Ablassrohrverzweigung 6 abgegeben werden, damit der Stapel 1 unter verringertem Druck in den Ablasskanälen arbeiten kann. Infolge des Betriebs unter derartig verringertem Druck in den Ablasskanälen lässt sich erwarten, dass die Abgase mit hoher Geschwindigkeit abgelassen werden, um ein verbessertes Temperaturgleichgewicht in dem gesamten Stapel zur Verfügung zu stellen, während eine Erhöhung von Abgasdiffusionsgeschwindigkeiten auf reagierenden Abschnitten zur Verfügung gestellt wird, um eine Verbesserung der Zufuhr von Gasen zu ermöglichen, welche den porösen Elektroden zugeführt werden sollen.
Wie voranstehend geschildert können Reaktionsgase in ersten Bereichen des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms durch die mehreren Gaszufuhrabzweigka näle zugeführt werden, die von den Gaszufuhrkanälen abzweigen, während ermöglicht wird, dass Gase, die reagiert haben, über die Gasablasskanäle in Fluidverbindung mit den zweiten Bereichen abgegeben werden, die sich von den ersten Bereichen unterscheiden, werden Gase dem gesamten Bereich des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms im Wesentlichen gleichförmig zugeführt werden, ohne dass eine direkte Mischung mit Gasen erfolgt, die reagiert haben.
Weiterhin werden zuzuführende Gase in den Gaszufuhrkanalabschnitten innerhalb des Separators vorgeheizt, und können der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms in gleichmäßigen Konzentrationen zugeführt werden.
Weiterhin spielt die Stromsammelschicht, die unter Verwendung geschäumten Metalls oder eines feinen Metalldrahtgeflechts ausgebildet ist, eine Rolle als elastischer Puffer, was es ermöglicht, auf die Zelle wirkende mechanische Spannungen abzubauen, infolge der Auswirkungen des Zusammenziehens beim Vorgang der Stapelbildung ergeben, und auf die Zelle wirkende Wärmespannungen abzubauen, die durch eine Erhöhung oder Verringerung der Temperatur hervorgerufen werden.
Weiterhin fließen bei einer Feststoffoxidelektrolyt-Brennstoffzelle, welche nicht die Konstruktion der vorliegenden Ausführungsform aufweist, verbrauchte Gase, die zur Reaktion in der Nähe eines Zentrums eines Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms beigetragen haben, über das Element zur Erzeugung elektrischen Stroms zu dessen Außenseite und neigen dazu sich mit Gasen, die einer Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms mit gleichmäßigen Gaskonzentrationen zugeführt werden, und sich mit Gasen, die reagiert haben, in einem Außenbereich des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms zu mischen, was zum Auftreten eines Konzentrationsgradienten führt.
Bei der Feststoffoxidelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden jedoch Gase, die reagiert haben, durch frische Gase nach außerhalb durch die Gasablasskanäle herausgedrückt. Aus diesem Grund wird ein Makro-Gaskonzentrationsgradient in der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms ausgeschaltet, was es ermöglicht, die Gaskonzentration in der Oberflä che des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms zu vergleichmäßigen. Daher werden Gase, die ordnungsgemäß vorgeheizt wurden, der Oberfläche in gleichmäßigen Konzentrationen zugeführt, und es mischen sich keine frischen Gase, mit Gasen, die reagiert haben, was zur Ausschaltung des Konzentrationsgradienten in der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms führt.
Dies ermöglicht es, dass sowohl die Temperaturverteilung von Gasen über der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms als auch die Gaskonzentrationsverteilungen vergleichmäßigt werden können, was zu einer vergleichmäßigten Reaktion von Gasen führt, wodurch sich eine Verbesserung der Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms ergibt, und daher eine Verbesserung der Temperaturverteilung des Stapels insgesamt ergibt. Dies unterdrückt das Auftreten von Wärmespannungen in der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms und dem gesamten Stapel, was es ermöglicht, Verlässlichkeit und verlängerte Betriebslebensdauer des Stapels zu erzielen.
Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform die Auslassanschlüsse und die Gasablasskanäle sowohl für das Brenngas als auch für das Oxidationsgas vorgesehen sind, ermöglicht es jeder dieser Auslassanschlüsse, die Temperaturverteilung im Vergleich zum Stand der Technik weiter zu verbessern.
Weiterhin wurde zwar die momentane Ausführungsform so beschrieben, dass sie bei einer rechteckigen Zellenkonstruktion eingesetzt wird, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Zellenkonstruktion beschränkt, und ist es selbstverständlich möglich, die vorliegende Erfindung bei anderen Zellenkonstruktionen einzusetzen, beispielsweise vom Typ einer flachen Platte mit runder Form.
(Zweite Ausführungsform)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 3A und 3B eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre im Einzelnen beschrieben.
3A ist eine schematische Querschnittsansicht, welche die Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert, und 3B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der in 3A gezeigten Konstruktion und eine typische Ansicht, welche den Gasfluss auf einer Oxidationsmittelelektrodenoberfläche der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
Wie in den 3A und 3B gezeigt, unterscheidet sich die Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform, also ein Stapel 101, von der Konstruktion der ersten Ausführungsform in der Hinsicht, dass eine zweite Stromsammelschicht zwischen dem Element zur Erzeugung elektrischen Stroms und der ersten Stromsammelschicht angeordnet ist, und ist im übrigen gleich der Konstruktion bei der ersten Ausführungsform.
Insbesondere weist bei der vorliegenden Ausführungsform die Stromsammelschicht eine Doppelschichtkonstruktion auf, die aus einer ersten Stromsammelschicht 31 (entsprechend der Stromsammelschicht 31 bei der ersten Ausführungsform) und einer zweiten Stromsammelschicht 33 besteht, zwischen welchen Gasablasskanäle 13, 14 vorgesehen sind.
Die erste Stromsammelschicht 31 besteht aus einem porösen elektrischen Leiter, beispielsweise aus einem feinen Metalldrahtgeflecht oder geschäumtem Metall, der aus einem wärmbeständigen Metall wie beispielsweise Edelstahl, ebenso wie bei der ersten Ausführungsform besteht, in Form ähnlich einer Platte, und weist eine Oberfläche auf, welche dem Element 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms über die zweite Stromsammelschicht 33 zugewandt ist. Die erste Stromsammelschicht 31 ist mit Sacklochabschnitten 32a versehen, die als Ausnehmungen ausgebildet sind, die sich über die Länge und Breite der Oberfläche erstrecken.
Die Sacklochabschnitte 32a, die in Form von Ausnehmungen vorhanden sind, bilden Oxidationsgas-Ablasskanäle 13, wenn die Stromsammelschicht 31 der Oxidationsmittelelektrode 22 zugeordnet ist, und stellen die Brenngas-Ablasskanäle 14, wenn die Stromsammelschicht 31 der Brennstoffelektrode 23 zugeordnet ist.
Wenn die Oxidationsgas-Ablasskanäle 13 oder die Brenngas-Ablasskanäle 14 auf der Stromsammelschicht 31 hergestellt werden, wird eine Oberfläche der Stromsammelschicht 31 teilweise in Gitterform eingedrückt oder teilweise geschweißt, um eine Sacklochbearbeitung durchzuführen, wodurch die Sacklochabschnitte 32a ausgebildet werden.
Die zweite Stromsammelschicht 33 ist über einer gesamten Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms vorgesehen und ist porös, wie die erste Stromsammelschicht 31. Die zweite Stromsammelschicht 33 besteht aus einem porösen elektrischen Leiter, beispielsweise einem feinen Metalldrahtgeflecht oder geschäumtem Metall aus wärmbeständigem Metall wie beispielsweise Edelstahl, und hat die Form einer Platte, wobei keine Sacklochabschnitte in Form von Ausnehmungen vorhanden sind.
Wenn das Element 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms, die Stromsammelschicht 31, die Stromsammelschicht 33 und der Separator 2 zur Ausbildung des Stapels 101 aufeinander gestapelt werden, wird bei Seitenoberflächen der ersten und zweiten Stromsammelschicht 31 bzw. 33 eine Sacklochbearbeitung durchgeführt, um die Sacklochabschnitte 32a auszubilden, zu dem Zweck, Gaslecks von den Seitenoberflächen der Stromsammelschichten zu verhindern.
Der Gaszufuhrkanal 7 verzweigt sich auf mehrere Oxidationsgas-Ablasskanäle 9 innerhalb der ersten Stromsammelschicht 31, und jeweilige untere Enden der Oxidationsgas-Ablasskanäle 9 dienen als mehrere Gasauslassanschlüsse 12, die an einer unteren Oberfläche der ersten Stromsammelschicht 31 offen sind. Entsprechend verzweigt sich der Brenngas-Zufuhrkanal 8 auf mehrere Brenngas-Abzweigkanäle 10 innerhalb der ersten Stromsammelschicht 31, und jeweilige untere Enden der Brenngas-Abzweigkanäle 10 dienen als mehrere Gasauslassanschlüsse 12, die an einer oberen Oberfläche der ersten Stromsammelschicht 31 offen sind.
In jeder Zelle, welche den Stapel 101 bildet, wird Oxidationsgas über die Oxidationsgas-Zufuhrrohrverzweigung 3 dem Gaszufuhrkanal 7 zugeführt, der zwischen dem Separator 2 und der ersten Stromsammelschicht 31 vorgesehen ist, und das Gas geht dann durch die Oxidationsgas-Abzweigkanäle 9 im Inneren der ersten Stromsammelschicht 31 hindurch in die Gasauslassanschlüsse 12, von denen das Oxidationsgas zu einem Bereich (dem ersten Bereich A1) der zweiten Stromsammelschicht 33 abgegeben wird, worauf Oxidationsgas eine Oberfläche der Oxidationsmittelelektrode 22 des Elements 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms erreicht.
Sauerstoff in dem Oxidationsgas wird dann auf der Oberfläche der Oxidationsmittelelektrode 22 des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms ionisiert, und dort eingebracht. Daher fließt verbrauchtes Gas mit einer verringerten Sauerstoffkonzentration von einem zweiten Bereich A2, der sich von dem ersten Bereich A1 unterscheidet, ins Innere der zweiten Stromsammelschicht 33, um durch den Oxidationsgas-Ablasskanal 13 hindurchzugehen, worauf verbrauchtes Gas nach außerhalb des Stapels über die Oxidationsgas-Ablassrohrverzweigung 5 abgegeben wird. Ein derartiger Gasfluss tritt entsprechend auf der Brennstoffelektrode auf.
Wie voranstehend geschildert, sind infolge der Konstruktion der vorliegenden Ausführungsform, zusätzlich zu den Auswirkungen der ersten Ausführungsform, die zweiten Stromsammelschichten 33 auf den Oberflächen des Elements 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms, insbesondere auf den gesamten Bereichen flacher Oberflächen der Oxidationsmittelelektrode 22 und der Brennstoffelektrode 23 vorgesehen, wodurch eine Verringerung des elektrischen Kontaktwiderstands zwischen der Stromsammelschicht und der Elektrode erreicht wird, was eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrads der Erzeugung elektrischen Stroms ermöglicht.
(Dritte Ausführungsform)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 4A bis 6B eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre im Einzelnen beschrieben.
4A ist eine Draufsicht, die eine Stromsammelschicht eines quadratischen Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform erläutert; 4B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie D-D von 4A; 4C ist eine Draufsicht, die eine Stromsammelschicht eines Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms mit runder Form der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform erläutert; 5A ist eine Draufsicht, die eine Stromsammelschicht einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer Abänderung der vorliegenden Ausführungsform erläutert; 5B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie E-E von 5A; 6A ist eine Draufsicht auf eine Stromsammelschicht einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer anderen Abänderung der vorliegenden Ausführungsform; und 6B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie F-F von 6A.
Wie in den 4A bis 6B gezeigt, unterscheidet sich die Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform von der ersten Ausführungsform in der Hinsicht, dass Gasablasskanäle 13, die in Stromsammelschichten 131, 231, 331, 431 vorgesehen sind, im Wesentlichen vergrößerte Querschnittsflächen in einer Fläche außerhalb einer zentralen Fläche CR eines Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms aufweisen. Im Übrigen ist die Konstruktion der vorliegenden Ausführungsform ebenso wie bei der ersten Ausführungsform.
Bei der Feststoffoxid-Brennstoffzelle tritt die Tendenz auf, dass Abgase, die infolge der Reaktion entstehen und zum Bereich nach außen abgegeben werden, und darüber hinaus Gase, die zur Reaktion innerhalb des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms beigetragen haben, ebenfalls in Kanäle außerhalb des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms fließen, so dass die Flussrate der Gase desto größer ist, je näher sie sich am Außenbereich befinden. Insbesondere beim Einsatz von Kohlenwasserstoffbrennstoff treten in dieser Hinsicht deutliche Effekte auf. Wenn dies stattfindet und eine Breite des Kanals so festgelegt wird, dass nur die Flussrate für Gase im Außenbereich erfüllt ist, ist die sich ergebende Breite für den Innenbereich überdimensioniert, was zu einem engen Weg führt, durch welche Gase abgegeben werden, und den Bereich des Stromsammelabschnitts verkleinert, was zu einer Erhöhung des Stromsammelwiderstands führt. Unter diesen Gesichtspunkten wird bei der vorliegenden Ausführungsform eine wesentliche Vergrößerung der Querschnittsfläche der Gasablasskanäle im Außenbereich weiter entfernt vom zentralen Bereich CR des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms vorgenommen, um hierdurch die voranstehend geschilderten Auswirkungen auszugleichen.
Insbesondere weist, wie in 4A und 4B gezeigt, die Feststoffoxid-Brennstoffzelle mit quadratischen Zellen, gesehen in einer Ebene von einem oberen Bereich oder einem unteren Bereich in 1A, also der Stapel mit den quadratischen Zellen, eine solche Konstruktion auf, bei welcher die Dichte, beispielsweise die Anzahl, an Gasablasskanälen einen größeren Wert im Außenbereich als im Innenbereich aufweist, um einen derartigen Effekt auszugleichen.
Weiterhin weist in 4C die Feststoffoxid-Brennstoffzelle mit runden Zellen, gesehen in einer Ebene von dem oberen Bereich oder dem unteren Bereich in 1A, also der Stapel mit den runden Zellen, eine Konstruktion auf, bei welcher die Dichte, also die Anzahl an Gasablasskanälen, einen größeren Wert im Außenbereich als im Innenbereich aufweist.
Bei dem Stapel, der die runden Zellen einsetzt, tritt trotz der Tatsache, dass die Gasablasskanäle, die in Radialrichtung angeordnet sind, einen wirksameren Ausstoß von Gasen ermöglicht, die Tendenz auf, dass mit wachsender Nähe zum Außenbereich die Rate von Abgasen, die in die Gasablasskanäle fließen, immer größer wird, was zu der Schwierigkeit führt, einen glatten Ausstoß von Gasen im Innenbereich zu erzielen. Daher führt eine Anzahl an Gasablasskanälen, die so festgelegt ist, dass sie im Außenbereich des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms größer ist, dazu, einen glatten Ausstoß von Gasen auf der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms auf gleichmäßigere Art und Weise zu erzielen.
Weiterhin weist in den 5A und 5B die Feststoffoxid-Brennstoffzelle mit quadratischen Zellen, gesehen in einer Ebene von dem oberen Bereich oder dem unteren Bereich in 1A, also ein Stapel mit den quadratischen Zellen, eine Konstruktion auf, bei welcher Gasablasskanäle eine größere Breite im Außenbereich, also in einem Bereich näher an einem Außenbereich, aufweisen als jene Gasablasskanäle im Innenbereich, um hierdurch die Querschnittsflächen der Gaskanäle zu vergrößern. Insbesondere nehmen die Breiten der Gasablasskanäle einen größeren Wert an, um die Querschnittsflächen zu erhöhen, wenn Gasablasskanäle 13a, 13b, 13c weit weg vom Innenbereich der Zelle angeordnet sind.
Weiterhin weist in den 6A und 6B eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle mit quadratischen Zellen, gesehen in einer Ebene von dem oberen Bereich oder dem unteren Bereich in 1A, also ein Stapel mit den quadratischen Zellen, eine Konstruktion auf, bei welcher Gasablasskanäle eine größere Tiefe im Außenbereich aufweisen als jene Gasablasskanäle im Innenbereich, um hierdurch die Querschnittsflächen der Gaskanäle zu vergrößern. Speziell ist die Tiefe eines Gasablasskanals 113e im Außenbereich größer als jene eines Gasablasskanals 113a im Innenbereich einer Zelle.
(Vierte Ausführungsform)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 7A bis 7B eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle einer vierten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre im Einzelnen beschrieben.
7A ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle einer vierten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre erläutert, und 7B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils von 7A und eine typische Ansicht, die einen Gasfluss auf einer Oberfläche einer Oxidationsmittelelektrode der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
Wie in den 7A und 7B gezeigt, unterscheidet sich eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle 201 der vorliegenden Ausführungsform von der ersten Ausführungsform in der Hinsicht, dass eine Stromsammelschicht eine Doppelschichtkonstruktion, mit einem ersten Stromsammler 31 und einer zweiten Stromsammelschicht 33 ist und die erste Stromsammelschicht 31 aus einem Metallrahmen 34 und porösen elektrischen Leitern 31a besteht, die aus geschäumtem Metall oder aus einem feinen Metalldrahtgeflecht gebildet sind. Im Übrigen ist die Konstruktion ebenso wie bei der ersten Ausführungsform.
Speziell wird mittels Durchführung einer Sacklochbearbeitung auf Seitenoberflächen der porösen elektrischen Leiter 31a der ersten Stromsammelschicht 31 zur Ausbildung von Sacklochabschnitten 32 und durch Verbindung der porösen elektrischen Leiter 31a mit dem Metallrahmen 34 ermöglicht, Gasablasskanäle 13 (Gasablasskanäle 14 auf einer Brennstoffelektrode) für Oxidationsgas in Räumen auszubilden, die von dem Metallrahmen 34 und den Sacklochabschnitten 32 der Stromsammelschicht 31 umgeben sind.
Obwohl Abmessungen mit großem Durchmesser bei geschäumtem Metall oder einem feinen Metalldrahtgeflecht zu einer verringerten Exaktheit der Abmessung in Richtung der Dicke und zu extrem brüchigen und weichen Eigenschaften führt, ermöglicht der Einsatz der voranstehend geschilderten Konstruktion, die Herstellung und die Handhabung einer Stromsammelschicht mit einer großen Oberfläche extrem zu erleichtern.
Selbstverständlich kann die vorliegende Ausführungsform auch bei den Konstruktionen zur Erhöhung der Anzahl an Kanälen und zur Vergrößerung der Querschnittsflächen der Kanäle auf größere Werte im Außenbereich der Zelle als bei den Kanälen im Innenbereich eingesetzt werden.
(Fünfte Ausführungsform)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 8A bis 8B eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre im Einzelnen beschrieben.
8A ist eine Draufsicht, die eine Stromsammelschicht der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform erläutert, und eine Ansicht der Stromsammelschicht, die typischerweise auf die Oberseite der in 7A gezeigten Konstruktion auflaminiert ist, gesehen in einer Richtung Z', und 8B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie G-G in 8A.
Wie in den 8A und 8B gezeigt, unterscheidet sich die Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform von der vierten Ausführungsform in der Hinsicht, dass ein Metallrahmen 134 Öffnungen mit solchen Abmessungen aufweist, dass Öffnungen 35a in einem zentralen Bereich CR eine geringere Größe aufweisen als Öffnungen 35b in einem Außenbereich. Im Übrigen ist die Konstruktion ebenso wie bei der vierten Ausführungsform.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden infolge einer Konstruktion, bei welcher die Öffnungen des Metallrahmens 134 solche Abmessungen aufweisen, dass die Öffnungen 35a im zentralen Bereich klein sind, während die Öffnungen 35b im Außenbereich groß sind, Gase dem inneren Bereich der Zelle mit einer niedrigen Flussrate zugeführt, wogegen Gase dem Außenbereich der Zelle mit einer hohen Flussrate zugeführt werden, wodurch eine intensive Reaktion im Außenbereich des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms auftreten kann, wogegen die Reaktion im zentralen Bereich auf ein kleineres Ausmaß beschränkt ist.
Das Vorhandensein unterschiedlicher Abmessungen der Öffnungen in dem Metallrahmen 134 ermöglicht es daher, dass bei dem Element zur Erzeugung elektrischen Stroms sich keine Wärme aufbaut, wodurch negative Auswirkungen unterdrückt werden, die infolge von Wärmespannungen dann auftreten würden, wenn sich Wärme innerhalb des Stapels infolge eines vergrößerten Durchmessers der Konstruktion entwickelt.
(Sechste Ausführungsform)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 9 bis 10B eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre im Einzelnen beschrieben.
9 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einer typischen Ansicht, welche einen Gasfluss auf einer Oxidationsmittelelektrodenoberfläche erläutert; 10A ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungs form in einer typischen Ansicht, welche einen Gasfluss auf einer Brennstoffelektrodenoberfläche erläutert; und 10B ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der in 10A gezeigten Konstruktion.
Wie aus den 9 bis 10B hervorgeht, unterscheidet sich die Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform von der vierten Ausführungsform in der Hinsicht, dass keine Sacklochbearbeitung auf der Seitenoberfläche des porösen elektrischen Leiters 31a der ersten Stromsammelschicht 131 durchgeführt wird. Im Übrigen ist die Konstruktion ebenso wie bei der vierten Ausführungsform.
Insbesondere weist die Seitenoberfläche der ersten Stromsammelschicht 131 keinen Sacklochabschnitt auf, wie in 9 gezeigt, wenn die Oxidationsmittelelektrode 32 eine Konstruktion ohne Sacklochabschnitt ist, wodurch ermöglicht wird, Oxidationsgas der Oxidationsmittelelektrode 22 mit einer weiter erhöhten Flussrate zuzuführen.
Hierdurch kann Wärme, die sich im zentralen Bereich (im Inneren des Stapels) des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms entwickeln kann, zwangsweise nach außerhalb durch den Einsatz von Oxidationsgas abgeführt werden, das mit einer weiter erhöhten Flussrate fließt, um hierdurch eine Kühlung zu erzielen, wodurch negative Auswirkungen ausgeschaltet werden, die infolge von Wärmespannungen auftreten, die durch Wärme hervorgerufen würden, die sich im Inneren des Stapels infolge eines vergrößerten Durchmessers der Konstruktion entwickeln würde.
Weiterhin weist der poröse elektrische Leiter 31a der ersten Stromsammelschicht 131 die bei einer Konstruktion ohne Sacklochabschnitt eingesetzt wird, wie in den 10A und 10B gezeigt, bevorzugt eine Dicke t mit einem Wert auf kleiner oder gleich einer Verbindungsbreite w (ausgedrückt als t ≤ w) zwischen dem porösen elektrischen Leiter 31a und dem Metallrahmen 34, und die zweite Stromsammelschicht kann vorzugsweise eine Porosität aufweisen, die niedriger ist als jene der ersten Stromsammelschicht 131, also des porösen elektrischen Leiters 31a. Mit einer derartigen Konstruktion wird ermöglicht, dass Brenngas der Brennstoffelektrodenoberfläche zugeführt wird, während die Menge an Brenngas soweit wie möglich minimiert wird, welche direkt zum Gasablasskanal herausleckt.
Zwar wurde die vorliegende Ausführungsform in Bezug auf die Konstruktion beschrieben, die bei der vierten Ausführungsform eingesetzt wird, jedoch ist es selbstverständlich möglich, die vorliegende Ausführungsform bei der ersten bis dritten und der fünften Ausführungsform einzusetzen, mit ähnlichen Auswirkungen.
(Siebte Ausführungsform)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 11 eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre im Einzelnen beschrieben.
11 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform in einer typischen Ansicht, welche einen Gasfluss auf einer Oxidationsmittelelektrodenoberfläche erläutert.
Wie in 11 gezeigt, unterscheidet sich die Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform von der vierten Ausführungsform in der Hinsicht, dass eine dritte Stromsammelschicht 35 vorgesehen ist, die in dem Gasablasskanal, also dem Oxidationsgas-Ablasskanal und dem Brenngas-Ablasskanal angeordnet ist, und aus einem porösen, elektrisch leitenden Material mit höherer Porosität als jener des porösen, elektrisch leitfähigen Materials besteht, das bei der ersten und zweiten Stromsammelschicht 31, 33 eingesetzt wird. Im Übrigen ist die Konstruktion ebenso wie bei der vierten Ausführungsform.
Daher dient bei der vorliegenden Ausführungsform die dritte Stromsammelschicht 33, die aus einem Material besteht, dessen Porosität höher ist als jene der anderen Stromsammelschichten, bevorzugter als Gasablasskanal, was eine weitere Verringerung des Innenwiderstands einer Brennstoffzelle ermöglicht.
Zwar wurde die vorliegende Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Konstruktion beschrieben, die bei der vierten Ausführungsform eingesetzt wird, jedoch ist es selbstverständlich möglich, die vorliegende Ausführungsform bei der ersten bis dritten, fünften und sechsten Ausführungsform mit ähnlichen Auswirkungen einzusetzen.
(Achte Ausführungsform)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 12 eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre im Einzelnen beschrieben.
12 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform und eine typische Ansicht, welche einen Gasfluss auf einer Brennstoffelektrodenoberfläche erläutert.
Wie in 12 gezeigt, unterscheidet sich die Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform von der vierten Ausführungsform in der Hinsicht, dass ein poröser elektrischer Leiter, welcher die erste Stromsammelschicht 31 bildet, die auf der Oberfläche der Brennstoffelektrode 23 vorgesehen ist, einen porösen Stromsammler 36 aufweist, der einen Reformierungskatalysator für Brenngas trägt. Im Übrigen ist die Konstruktion ebenso wie bei der vierten Ausführungsform.
Speziell können Beispiele für einen Reformierungskatalysator, der auf dem porösen Stromsammler 36 vorhanden ist, vorzugsweise Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Ruthenium (Ru), Eisen (Fe), Nickel (Ni) und Kupfer (Cu) umfassen. Mit einem derartigen Reformierungskatalysator werden Kohlenwasserstoffe in Brenngas einfach zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid reformiert, was zu einer Erhöhung des Reaktionsvermögens führt, wodurch eine weitere Verbesserung des Brennstoffnutzungswirkungsgrades ermöglicht wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform hat die erste Stromsammelschicht 31 nicht nur die Fähigkeit, Strom zu sammeln, sondern auch die Fähigkeit, Gase vorzuheizen, Gase mit gleichmäßigen Konzentrationen dem Element zur Erzeugung elektrischen Stroms zuzuführen und verbrauchte Gase abzugeben, und es ermöglicht darüber hinaus, Brenngas zu reformieren, was eine Verbesserung der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle zusätzlich zu einer Verbesserung der Temperaturverteilung ermöglicht.
Zwar wurde die vorliegende Ausführungsform in Bezug auf die Konstruktion beschrieben, die bei der vierten Ausführungsform eingesetzt wird, jedoch ist es selbstverständlich möglich, die vorliegende Ausführungsform bei der ersten bis dritten und fünften bis siebten Ausführungsform mit gleichen Auswirkungen einzusetzen.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Wie voranstehend geschildert können bei einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden technischen Lehre, da ein Gaszufuhrkanal, über welchen Gas zugeführt wird, und ein Gasablasskanäle, durch welchen Gas abgelassen wird, auf einer Zellenoberfläche getrennt sind, Gase der Zellenoberfläche mit gleichmäßigen Konzentrationen zugeführt werden, ohne eine Mischung zwischen zugeführtem Gas und Abgas hervorzurufen, während Gase, die reagiert haben, ohne negative Auswirkungen auf die Gaskonzentration im Umgebungsbereich der Zelle abgelassen werden können, um so die Gaskonzentration auf der Zellenoberfläche zu vergleichmäßigen, um hierdurch den Wirkungsgrad zur Erzeugung elektrischer Energie zu erhöhen, während das Auftreten von Wärmespannungsverteilungen unterdrückt wird, um Verbesserungen in Bezug auf die Verlässlichkeit und die Lebensdauer der Brennstoffzelle zu ermöglichen. Daher lässt sich bei einer derartigen Feststoffoxid-Brennstoffzelle ein erweiterter Einsatzbereich erwarten, der durch Brennstoffzellen versorgte Kraftfahrzeuge umfasst, bei welchen eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle eingesetzt wird.

Claims

Feststoffoxid-Brennstoffzelle, bei welcher vorgesehen sind: mehrere Elemente (20) zur Erzeugung elektrischen Stroms, die in einer Stapelrichtung gestapelt sind, und jeweils einen Feststoffoxid-Elektrolyten (21) und poröse Elektrodenabschnitte (22, 23) aufweisen; mehrere erste Stromsammelschichten (31, 131, 231, 331, 431), die an die porösen Elektrodenabschnitte (22, 23) angeschlossen sind; zumindest ein Separator (2), der zwischen benachbarten Elementen (20) zur Erzeugung elektrischen Stroms angeordnet ist, um benachbarte Elemente (20) miteinander zu verbinden, so dass die Elemente (20) elektrisch in Stapelrichtung verbunden sind; ein Gaszufuhrkanal (7, 8), der zwischen dem zumindest einen Separator (2) und einer der ersten zugeordneten Stromsammelschichten (31, 131, 231, 331, 431) vorgesehen ist; mehrere Gaszufuhrabzweigkanäle (9, 10), die von dem Gaszufuhrkanal (7, 8) abzweigen und den Elektrodenabschnitt (22, 23) des zugehörigen der Elemente (20) zur Erzeugung elektrischen Stroms erreichen, wobei der Gaszufuhrkanal (7,8) und die Gaszufuhrabzweigkanäle (9, 10) zum Zuführen von Prozessgas zu dem zugehörigen Elektrodenabschnitt (22, 23) vorgesehen sind; mehrere Gasablasskanäle (13, 13a, 13b, 113a, 113b) zum Ablassen von verbrauchtem Gas durch die zugehörige erste Stromsammelschicht (31, 131, 231, 331, 431).
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenabschnitte eine poröse Oxidationsmittelelektrode (22), die auf einer Oberfläche des Feststoffoxid-Elektrolyten (21) vorgesehen ist, um mit Oxidationsmittelgas als Prozessgas versorgt zu werden, und eine poröse Brennstoffelektrode (23) darstellen, die auf der anderen Oberfläche des Feststoffoxid-Elektrolyten (21) vorgesehen ist, um mit Brenngas als Prozessgas versorgt zu werden.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, bei welcher die ersten Stromsammelschichten (31, 131, 231, 331, 431) jeweils benachbart der Oxidationsmittelelektrode (22) und der Brennstoffelektrode (23) angeordnet sind.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 2 oder 3, wobei die ersten Stromsammelschichten (31, 131, 231, 331, 431), die jeweils der Brennstoffelektrode (23) zugewandt sind, einen Brennstoffreformierungskatalysator aufweisen.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mehreren Gaszufuhrabzweigkanäle (9, 10) von dem Gasflusskanal (7, 8) abzweigen, um den Elektrodenabschnitt (22, 23) des zugehörigen Elements (20) über die zugehörige erste Stromsammelschicht (31, 131, 231, 331, 431) zu erreichen.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die ersten Stromsammelschichten (31, 131, 231, 331, 431) poröse elektrische Leiter aufweisen.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Gasablasskanäle (13, 13a, 13b, 113a, 113b) jeweils auf einer der ersten Stromsammelschichten (31, 131, 231, 331, 431) vorgesehen sind und Ausnehmungen (32, 32a) aufweisen, die einer Sacklochbearbeitung unterworfen wurden, welche den Elektrodenabschnitt (22, 23) des zugehörigen Elements (20) erreichen.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zweite Stromsammelschichten (33), die jeweils aus einem porösen elektrischen Leiter bestehen, jeweils zwischen einem der Elemente (20) und einer der ersten Stromsammelschichten (31, 131, 231, 331, 431) angeordnet sind.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei das verbrauchte Gas, über die zugehörige zweite Stromsammelschicht (33) ablassbar ist.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 8 oder 9, wobei dritte Stromsammelschichten (35), die jeweils aus einem porösen elektrischen Leiter bestehen, jeweils in einem der Gasabiasskanale angeordnet sind und eine Porosität aufweisen, die größer ist als jene der zweiten Stromsammelschichten (33).
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach seinem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Anzahl der Gasablasskanäle (13) größer in einem Außenumfangsbereich ist als in einem zentralen Bereich (CR) des zugehörigen Elements (20).
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Querschnittsflächen der mehreren Gasablasskanäle (13a, 13b, 113a, 113b) größer in einem Außenumfangsbereich sind als in einem zentralen Bereich (CR) des zugehörigen Elements (20).
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die ersten Stromsammelschichten (31, 131) einen Rahmenabschnitt (34, 134) aufweisen, der mit mehreren Öffnungen (35a, 35b) versehen ist, und poröse Leiter (31a) für elektrischen Strom, die entsprechend neben den Öffnungen (35a, 35b) angeordnet sind, und wobei die Gaszufuhrkanäle (7,8) an den Öffnungen (35a, 35b) abzweigen.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei der Rahmenabschnitt (34, 134) aus Metall besteht und die Größe der Öffnungen (35b) in einem Außenumfangsbereich größer ist als jene der Öffnungen (35a) in einem zentralen Bereich (CR) des zugehörigen Elements (20).
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Breite (W), über welche der Rahmenabschnitt (34, 134) den porösen elektrischen Leiter (31a) überlappt, größer ist als die Dicke (t) des porösen elektrischen Leiters (31a) in Stapelrichtung.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei dritte Stromsammelschichten (35), die jeweils aus einem porösen elektrischen Leiter bestehen, jeweils in einem der Gasablasskanäle angeordnet sind und die eine Porosität aufweisen, die größer ist als jene der ersten Stromsammelschichten (31, 131, 231, 331, 431).