DE112015005276T5 - Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung der elektrischen Energie - Google Patents

Abstract

Der Gegenstand der Erfindung ist der Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung der elektrischen Energie, dessen Wesen darin beruht, dass er sich aus einem Satz (2) bestehend aus einigen oder mehr identischen Modulen (3) von zwei Brennstoffzellen zusammensetzt, die in Form des Quaderkörpers gestapelt und miteinander trennbar verbunden sind, aus hitzebeständiger Metallbasis (1), auf der ein Modulsatz (2) liegt und aus hitzebeständiger Metallhaube (5) zum Verdecken des Satzes, die mit dem Buchsenstutzen (31) zur Zuführung des Gasbrennstoffes zum inneren Sammel-Winkelkanal (32) und mit Buchsenstutzen (33) zur Zuführung der Luft zum inneren Sammel-Winkelkanal (34) ausgestattet ist, dagegen ist die hitzebeständige Metallbasis (1) mit dem Buchsenstutzen (43) ausgestattet, der die Verlängerung des inneren Sammelkanals (41) zur Ableitung der Abgase bildet und Buchsenstutzen (40), der die Verlängerung des inneren Sammelkanals (38) zur Ableitung von Stickstoff bildet, wobei sich jeder der Module (3) von zwei Brennstoffzellen aus dem Keramikrahmen (4) zusammensetzt, der um die zentral darin gelegene Durchgang-Quadratöffnung (14) eine zweistufige Rahmenaufnahme (15) aufweist, in deren unterem Teil eine gelochte hitzebeständige Metall-Kathodenplatte (20) mit U-Profil und Winkeloffset (21) des oberen Endes angeordnet ist, innerhalb der sich ein beidseitig genuteter Keramik-Formteil (22) befindet, dagegen werden auf dem flachen Teil (23) der Kathodenplatte (20) zwei einseitig genutete Brennstoffzellen (24) angeordnet, die mit ihren Nuten (25) zueinander gerichtet sind und voneinander durch eine gelochte hitzebeständige Metall-Anodenplatte (26) mit einem U-förmig gebogenem Ende (27), das am Winkeloffset (21) der Kathodenplatte (20) anliegt, getrennt werden.

Description

• Gegenstand der Erfindung ist der Hochtemperatur-Festoxidbrennstoffzellenstapel auf Anodebasis vom Typ AS SOFC (Anode Supported Solid Oxide Fuel Cells) und auf Kathodebasis CS SOFC SOFC (Catode Supported Solid Oxide Fuel Cells) zur Erzeugung der elektrischen Energie aus zugeführten Gasbrennstofen wie: Wasserstoff, Synthesegas, Methan, Biogas, Ethanol und Bioethanol, Methanol, Benzin und ähnlichen Kohlenwasserstoffen.
• Die Brennstoffzellen sind Einrichtungen zur Umwandlung der chemischen Energie in elektrische Energie in Folge der elektrochemischen Reaktion zwischen dem auf die Oberfläche der Anode gelieferten Brennstoff und dem auf Kathode gelieferten Oxidationsgas, das durch die Membrane des Elektrolyts, welche die Sauerstoffionen leitet, in Richtung der Anode übergeht, wo es mit dem Brennstoff verbunden wird, indem elektrische Energie und Wärme erzeugt wird. Die Besonderheit der Brennstoffzelle beruht in der Verarbeitung der chemischen Energie in die elektrische Energie ohne Flammverbrennungsprozess. Es gewährleistet bessere Effizienz der Einrichtung (45–55%) im Vergleich zu den meisten herkömmlichen thermo-mechanischen Lösungen (z. B. Gasturbinen 40–42%). In den Kraft-Wärme-Kopplungssystemen können die Brennstoffzellen die Wärmeeffizienz bis zu 90% erreichen. Eine der Konsequenzen der Verwendung von Brennstoffzellen zur Erzeugung der Energie ist viel kleinere Emission des Kohlendioxids SO₂, NO_X, Kohlenwasserstoffe, Kohlenoxide und Feststoffe in die Atmosphäre (insbesondere bei der Verwendung als Kohlenwasserstoffbrennstoff) als bei den traditionellen Kraftwerken für konventionelle Brennstoffe. Die Brennstoffzellen haben geringe Abmessungen, dagegen ermöglicht deren Modulsystem leichteren und wirtschaftlicheren Ausbau, sie können selbständig dauernd arbeiten und wählen den Brennstoff und Oxidationsmittel in den der elektrischen Belastung entsprechenden Mengen und darüber hinaus sind gegen momentane Überbelastungen und Betrieb bei kleinen Belastungen beständig. Leichter Ausbau und fehlende bewegliche Teile (kein Verschleiß von Teilen, keine Schwingungen, kleine Festigkeitsprobleme) geben große Betriebszuverlässigkeit. In den bekannten Brennstoffzellen wird am meisten Wasserstoff als Brennstoff verwendet, wobei die Arbeiten verbunden mit dem Einsatz von Methan, CO und anderen Kohlenwasserstoffen geführt werden und als Oxidationsmittel dient der Sauerstoff, der zu dieser Anlage in Reinform oder mit der Außenluft zugeführt wird. Die einzelne Brennstoffzelle in Quadratform oder in Form der runden Platte besteht aus zwei Elektroden-Anode, die aus Y₂O₃-stabilisiertem Zirkondioxid und Nickeldioxid-Komposit ausgeführt wird und Kathode aus Keramik mit Perowskit-Struktur enthaltend Lantan-, Strontium-, Kobalt-, Mangan- und Eisendioxide, die voneinander durch Festelektrolyt aus Zirkondioxid, das mit Y₂O₃ in Menge von 3–10% Mol oder mir Sc₂O₃stabilisiert, das bei hoher Temperatur (650–900°C) sehr guter Leiter für die Aniondioxide ist.
• Andere bekannte Batterie von Brennstoffzellen, auch Stapel genannt, besteht aus gestapelten hitzebeständigen Metallrahmen, in deren Mitte sich die einzelnen Zellen befinden, die mit Verbindungsleitung-Platten voneinander getrennt sind, welche die elektrischen Ladungen transportieren und mit horizontalen Nuten zur Zuführung von gasförmigen Reagenzien zu den Elektrodenoberflächen ausgestattet sind. Die Metallrahmen und die Verbindungsleitung-Platten sind mit den Zwischenlagen der elektrischen Isolation voneinander getrennt und mit den horizontalen Kanälen zur Zuführung von Reagenzien und Abführung der Verbrennungsprodukte zu einzelnen Zellen ausgestattet. Es sind auch folgende Lösungen bekannt, in denen statt den genuteten Verbindungsleitung-Metallplatten die dünnen gewellten Metallplatten verwendet werden, die direkt in der Mitte der Metallrahmen angeordnet werden und dieselbe Rolle spielen. Der Auszug der elektrischen Energie aus dem Zellenstapel erfolgt durch die den Zellenstapel druckenden Schrauben, die in Kontakt mit den Metallplatten bleiben.
• Aus der Literaturbeschreibung („Fabrication of structures anode-supported solid oxide fuel cel by power injection molding” – Journal of Power Sources 2013 S. 35–40) ist die Lösung bekannt, in der die Oberfläche der Anode der runden Brennstoffzelle die Abragungen aufweist, welche den Brennstoffzufuhr zur Anodenoberfläche ermöglichen und die elektrischen Ladungen werden durch das Netz gesammelt, das mit Stromkabel verbunden ist. An der Kathodenseite werden volle Nuten-Metallplatten mit dem angebrachten Metallnetz und dem Stromanschluss verwendet.
• Bekannt ist die Brennstoffzelle in Form des Zellenstapels mit den mitten angeordneten einzelnen Zellen, die mit Gasstrom als Brennstoff und Oxidationsmittel gespeist werden, in der der Brennstoffstrom parallel zu einzelnen Zellen geführt wird, so dass jeder Zelle dieselbe Portion von Brennstoff mit der Größe des gesamten gelieferten Stromes geteilt durch die Anzahl der Zellen zugeführt wird, dagegen wird der Oxidationsmittelstrom ebenso parallel zu einzelnen Zellen geleitet so dass, zu jeder dieselbe Portion des Oxidationsmittels kommt. Am Ausgang jeder Zelle gibt es die gleichen Komponenten-Brennstoffströme und Komponenten-Oxidationsmittelströme und jede der Zellen ein Stromgenerator mit der selben Spannung und Ausgangsstrom ist. Dennoch kennzeichnet sich diese Zelle dadurch, dass sie geringen Treibstoffverbrauch und demnach niedrige gesamte Effizienz aufweist.
• Bekannt aus der polnischen Patentschrift Nr. PL211985B1 eine Brennstoffzelle zur Umwandlung der elektrischen Energie des Brennstoffs direkt in die elektrische Energie, ohne notwendige Flammverbrennung des Brennstoffes, die ein Zellenkomplex mit einzelnen Zellen bildet, die den Stapel machen und die Eingänge dieser Zellen mit den Brennstoffleitungen und Oxidationsmittelleitungen verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, dass die Oxidationsmittelleitung parallel an viele einzelne Zellen verbunden ist, so dass jede davon mit n-fachem Teil des Stromes des Oxidationsmittel gespeist wird, und die Brennstoffleitung reihenweise zu den einzelnen Zellen geleitet wird, wobei jede dieser Zellen mit dem ganzen Brennstoffstrom bei allmählich sinkendem Anteil des Brennstoffes und steigendem Anteil von Abgasen versorgt wird. Die Zellen des Stapels sind Quellen der elektrischen Energie, die bei dem gleichen Stromwert verschiedene Spannungen aufweisen, wobei die Summe der erzeugten Spannungen, die sich am Ausgang der Brennstoffzelle ergibt, höher als am Ausgang der bekannten oben beschriebenen Lösung ist. Es ermöglicht den Brennstoff besser zu verbrauchen und höhere Effizienz zu erzielen, aber bei höheren Investitionskosten.
• Weiterhin ist der aus polnischen Patentanmeldung Nr. 363200 bekannte Komplex der Brennstoffzellen mit der Sammelleitung mit entsprechender Anzahl der Anschlusszonen für die Brennstoffzellen ausgestattet, wobei einige dieser Zonen verschiedene charakteristische Eigenschaften aufweisen, darunter solche wie Größe und Anordnung der elektrischen Anschlüsse und der Einlass- und Auslassöffnungen entsprechend unterschiedlichen Stromkapazitäten. Außerdem hat dieser Zellenkomplex auch einen oder mehr Stapel der Brennstoffzellen, und einige von diesen Stapeln haben unterschiedliche Stromkapazitäten entsprechend den unterschiedlichen charakteristischen Eigenschaften für die Zone der Sammelleitung und entsprechend unterschiedliche Anordnung der elektrischen Anschlüsse und Einlass- sowie Auslassöffnungen. Die charakteristischen Eigenschaften einiger dieser Stapel sind so ausgelegt, dass nur der Stapel der Brennstoffzellen mit der konkreten Leistung an die Zone der genannten Sammelleitung, die solcher Leistung entspricht, angeschlossen werden kann. Zum Ankoppeln an die Zone der Sammelleitung dieses Komplexes der Brennstoffzellen, in der die Nichtanordnung des Stapels der Brennstoffzellen gewünscht ist, dient die Verriegelungsplatte, wobei die Ausbildung dieser Leitungen so ist, dass sie die Abdichtung des Anschlusses dieser Leitung ermöglicht, wenn sich mit der konkreten Zone der Sammelleitung weder Verriegelungsplatte noch Stapel der Brennstoffzellen verbindet und außerdem die Ausbildung dieser Leitungen das Bedürfnis beseitigt, diese Platte zu verwenden.
• Das Ziel der Erfindung ist die Bearbeitung einer einfachen und kompakter Konstruktion des Hochtemperatur-Festoxidbrennstoffzellenstapels darunter vom Typ SOFC zur Erzeugung der elektrischen Energie aus dem zugeführten Gasbrennstoff wie: Wasserstoff, Synthesegas und Kohlenwasserstoffe, vor allem Methan, Biogas, Ethanol und Bioethanol und Methanol, die ermöglicht, einen oder mehr Stapel in thermisch isoliertem Segment-Metallgehäuse einzubauen, das zwischen diesen Stapeln angeordnet, mit Heizschlangen ausgestattet ist und bei dem Anlauf aus der externen Energiequelle versorgt wird. Das Ziel der Erfindung ist auch die Bearbeitung solcher Konstruktion des Stapels, die ermöglicht, die Anzahl der Bauelemente zu reduzieren, sie aus preiswerten Materialien, vor allem aus Keramikmaterialien und mit Hilfe von preiswerten Methoden herzustellen und demnach die Herstellungskosten zu senken und gleichzeitig ihre hohe Leistung zu erzielen.
• Das Wesen des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels zur Erzeugung der elektrischen Energie beruht darin, dass er sich aus einem Satz bestehend aus einigen oder mehr identischen Modulen von zwei Brennstoffzellen zusammensetzt, die in Form des Quaderkörpers gestapelt und miteinander trennbar verbunden sind, aus hitzebeständiger Metallbasis, auf der ein Modulsatz liegt und aus hitzebeständiger Metallbasis zum Verdecken des Satzes, die mit dem Buchsenstutzen zur Zuführung des Gasbrennstoffes zum inneren Sammel-Winkelkanal und mit Buchsenstutzen zur Zuführung der Luft zum inneren Sammel-Winkelkanal ausgestattet ist, dagegen ist die hitzebeständige Metallbasis mit dem Buchsenstutzen ausgestattet, der die Verlängerung des inneren Sammelkanals zur Ableitung der Abgase bildet und Buchsenstutzen, der die Verlängerung des inneren Sammelkanals zur Ableitung von Stickstoff bildet. Jeder der Module von zwei Brennstoffzellen setzt sich aus dem Keramikrahmen zusammen, der um die zentral darin gelegene Durchgang-Quadratöffnung eine zweistufige Rahmenaufnahme aufweist, in derer unterem Teil eine gelochte hitzebeständige Metall-Kathodenplatte mit U-Profil und Winkeloffset des oberen Endes angeordnet ist, in der sich ein beidseitig genuteter Keramik-Formteil befindet, dagegen werden auf dem flachen Teil der Kathodenplatte zwei einseitig genutete Brennstoffzellen angeordnet, die mit ihren Nuten zueinander gerichtet sind und voneinander durch eine gelochte hitzebeständige Metall-Anodenplatte mit einem U-förmig gebogenem Ende, das am Winkeloffset der Kathodenplatte anliegt, getrennt werden. Außerdem besteht jede einseitig genutete Brennstoffzelle aus einer Anodenschicht mit der Dicke von 0,8–2,0 mm aus Komposit NiO und ZrO₂ mit Y₂O₃, stabilisiert, aus der an Seite der Nuten und an der flachen Fläche anliegende Schicht des festen Elektrolyten mit der Dicke von 5–15 μm aus ZrO₂ stabilisiert mit Y₂O₃ oder Sc₂O₃ und aus der anliegenden Kathodenschicht mit der Dicke von 100 bis 250 μm, aus dem Material mit Perowskit-Struktur bestehend aus Gemisch der Oxide La, Sr, Co und Fe (LSCF) sowie Oxide La, Sr, Mn (LSM). Es ist günstig, wenn der Keramikrahmen jedes Moduls des Brennstoffzellenpaares an den oberen Flächen der kürzeren Seiten je zwei Durchgangs-Profilöffnungen koaxial gegeneinander situiert aufweist und nämlich an einer der Seiten eine Öffnung zur Zuführung des Gasbrennstoffes und eine Öffnung zur Luftzuführung hat und an der anderen kürzeren Seite eine Öffnung zur Ableitung von Stickstoff und eine Öffnung zur Ableitung von Abgasen hat und darüber hinaus wird eine Seitenwand der Öffnung zur Zuführung des Gasbrennstofes mit Hilfe der Pinlöcher zur Zuführung dieses Brennstoffes mit der oberen Seitenwand der zweistufigen Rahmenaufnahme verbunden, eine Seitenwand der Öffnung zur Zuführung der Luft wird mit Hilfe der Pinlöcher zur Zuführung der Luft mit der unteren Seitenwand dieser Aufnahme verbunden, dagegen wird die Seitenwand der Öffnung zur Zuführung des Stickstoffs mit Hilfe der Pinlöcher zur Ableitung des Stickstoffs mit der unteren Seitenwand der zweistufigen Rahmenaufnahme verbunden und die Seitenwand der Öffnung zur Ableitung der Abgase wird mit Hilfe der Pinlöcher zur Ableitung der Abgase mit der oberen Seitenwand dieser Aufnahme verbunden. Das Unterteil der gelochten hitzebeständigen U-Profil-Kathodenplatte berührt sich vorteilhaft mit der hitzebeständigen Metallbasis, die sich mit zwei in der hitzebeständigen Haube des Satzes isolierten Schrauben berührt, welche diesen Satz drücken, und die obere gelochte Metall-Anodenplatte berührt sich mit der hitzebeständigen Metallhaube und diese berührt sich wiederum mit zwei sonstigen Schrauben, die diesen Satz drücken und in der Basis isoliert sind. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Kontaktflächen der Brennstoffzellen mit den Wandflächen der zweistufigen Rahmenaufnahmen sowie die Kontaktflächen der gestapelten Keramikrahmen mit dem Keramikpapier, das mit fein gemahlenem Glas-Keramik-Stoff gesättigt wird, abgedichtet sind.
• Die Verwendung der Brennstoffzellen im Stapel mit einseitig genuteten Anoden oder Kathoden ermöglichte gemäß der Erfindung auf die kostenintensiven zusätzlichen, genuteten Verbindungsleitung-Metallplatten, die gewellten Platten oder die keramischen Distanzteile zur Verteilung des Gasbrennstoffes über die Anodenfläche dieser Zellen zu verzichten. Dagegen erlaubte die Verwendung von zweistufigen Keramikrahmen im Modul dieses Stapels je zwei Brennstoffzellen und doppelseitig genutetes Keramikformteil zur Verteilung der Luft auf zwei benachbarte Kathodenflächen darin anzuordnen und die gelochten Metallplatten zur Sammlung der elektrischen Ladungen innerhalb der Rahmen einzusetzen, so dass die Konstruktion kompakter und beträchtlich einfacher wird.
• Durch den Einsatz des Stapels von universellen Keramikrahmen in den Brennstoffzellen ist es möglich, sie aus preiswerten Keramikrohstoffen und unter Verwendung der bekannten preiswerten thermoplastischen Spritzgießtechnik herzustellen sowie auf die Verwendung der zusätzlichen elektrischen Isolierung zwischen den Zellen und den Rahmen zu verzichten und demnach die Herstellungskosten des Stapels bedeutend zu senken. Die weiteren Vorteile des erfindungsgemäßen Stapels beruhen darin, dass die Verwendung von umlaufenden Feder-Nutverbindungen sowohl in den Keramikrahmen als auch in der Metallbasis und in der Metallhaube die Stabilität und die Dichtheit des Stapels erheblich erhöht und die Montage dieser Module in Stapeln maßgebend vereinfacht, dagegen verhindert die Abdichtung der Kontaktflächen der Brennstoffzellen mit Keramikrahmen und zwischen den Rahmen mit Hilfe des Keramikpapiers, das mit fein gemahlenem Glas-Keramik-Stoff gesättigt ist, das Festsitzen dieser Abdichtungen, so dass die Demontage dieser Rahmen ohne ihre mechanische Beschädigung möglich ist.
• Der Gegenstand der Erfindung wird in einer Beispielausführung dargestellt, wo 1 den Stapel aus sechs Modulen von Hochtemperatur-Brennstoffzellen zur Erzeugung der elektrischen Energie in perspektivischer Ansicht zeigt, 2 – denselben Zellenstapel in einer Draufsicht, 3 – denselben Zellenstapel im Vertikalschnitt entlang der Linie A-A, 4 – denselben Zellenstapel im Vertikalschnitt entlang der Linie B-B, 5 – denselben Zellenstapel im Vertikalschnitt entlang der Linie C-C, 6 – denselben Zellenstapel im Vertikalschnitt entlang der Linie D-D, 7 – denselben Zellenstapel im Vertikalschnitt entlang der Linie E-E, 8 – den keramischen Tragrahmen dieses Zellenstapels in perspektivischer Ansicht, 9 – denselben keramischen Rahmen in einer Draufsicht, 10 – denselben keramischen Rahmen im Vertikalschnitt entlang der Linie F-F in der 9, 11 – denselben Zellenstapel im Vertikalschnitt entlang der Linie G-G, 12 – denselben Zellenstapel im Vertikalschnitt entlang der Linie H-H, 13 – denselben Zellenstapel im Vertikalschnitt entlang der Linie J-J, 14 – denselben Zellenstapel im Vertikalschnitt entlang der Linie K-K, 15 – denselben Zellenstapel im Vertikalschnitt entlang der Linie L-L, 16 – ein beidseitig genutetes Keramikformteil zur Verteilung der Luft über die Fläche der Brennstoffzelle von der Seite der Kathode, in einer perspektivischen Ansicht, 17 – dasselbe Keramikformteil im Vertikalschnitt entlang der Linie M-M, 18 – einzelne Membran der Brennstoffzelle in einer perspektivischen Ansicht, 19 – dieselbe Membran im Vertikalschnitt entlang der Linie N-N, 20 – Detail „Z” eines vergrößerten Endes dieser Membran, die in 19 gezeigt ist, 21 – gelochte Metallplatte zur Sammlung der elektrischen Ladungen von den Anodenflächen der Brennstoffzellen in einer Draufsicht, 22 – dieselbe gelochte Platte im Vertikalschnitt entlang der Linie O-O, 23 – gelochte Metallplatte zur Sammlung der elektrischen Ladungen von den Kathodenflächen der Brennstoffzellen in einer Draufsicht, 24 – dieselbe gelochte Platte im Vertikalschnitt entlang der Linie P-P, 25 – komplettes Modul von zwei Brennstoffzellen mit den keramischen Formteilen zur Verteilung der Luft, die in einem keramischen Rahmen angeordnet sind, in einer Draufsicht, 26 – dasselbe komplette Modul im Vertikalschnitt entlang der Linie R-R, 27 – dasselbe komplette Modul im Vertikalschnitt entlang der Linie S-S, 28 – dasselbe komplette Modul im Vertikalschnitt entlang der Linie T-T, und 29 – zeigt die zweite Variante der miteinander im Stapel verbundenen mehreren Hochtemperatur-Brennstoffzellen im Vertikalschnitt unter Weglassung des mittleren Teiles des mit gewellten Linien gekennzeichneten Stapels.
• Der Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung der elektrischen Energie aus Gasbrennstoff und Luft in einem Ausführungsbeispiel, das in der Zeichnung 1 gezeigt wird, setzt sich aus der hitzebeständigen Metallbasis 1, aus dem darauf ruhenden Komplex 2 aus sechs identischen kompletten Modulen 3 von zwei Brennstoffzellen, die in den separaten keramischen gestapelten Rahmen 4 angeordnet sind, und aus der diesen Komplex verdeckenden hitzebeständigen Metallhaube 5 zusammen, wobei alle Module eine verflachte Quaderform mit rechteckigen Grundflächen haben und mit Hilfe der an den gegenüberliegenden umlaufenden Flächen ausgeführten Nuten 6 und Federn 7 verbunden sind. Jeder der kompletten Module 3 von zwei Brennstoffzellen setzt sich aus dem rechteckigen Keramikrahmen 4 mit der unteren umlaufenden Nut 6 und der oberen umlaufenden Feder 7 mit vier eckigen runden Montage- und Durchgangsöffnungen 8 und 8' sowie zwischen ihnen ausgeführte, entlang beiden kürzeren Seiten je zwei Durchgangsöffnungen mit Rechteckprofil mit abgerundeten kürzeren Seiten, das heißt Öffnung 9 zur Zuführung von Gasbrennstoff, Öffnung 10 zur Luftzuführung, Öffnung 11 zur Ableitung von Stickstoff und Öffnung 12 zur Ableitung der Abgase. Außerdem wird an der oberen Fläche 13 des keramischen Rahmens 4 um seine zentral gelegene Durchgangs-Quadratöffnung 14 eine zweistufige Rahmenaufnahme 15 mit unterschiedlichen Abmessungen ausgeführt, deren eine höhere vertikale Seitenwand mit Hilfe der darin ausgeführten Pinlöcher 16 mit der Öffnung 9 zur Zuführung des Brennstoffes verbunden ist und die unter dieser Aufnahme angeordnete vertikale Seitenwand der Quadratöffnung 14 mit Hilfe der darin ausgeführten Pinlöcher 17 mit der Öffnung 10 zur Zuführung der Luft verbunden ist, dagegen wird eine höhere vertikale Seitenwand der gegenüberliegenden Seite dieser Aufnahme mit Hilfe der Pinlöcher 18 mit der Öffnung 11 zur Ableitung des Stickstoffes verbunden und die unterhalb angeordnete vertikale Seitenwand der Quadratöffnung 14 wird durch die darin ausgeführten Pinlöcher 19 mit der Öffnung 12 zur Ableitung der Abgase verbunden. Weiterhin wird in der quadratischen Durchgangsöffnung 14 des keramischen Formteils 4 und in der unteren kleineren zweistufigen Rahmenaufnahme 15 eine gelochte hitzebeständige Metall-Kathodenplatte 20 mit dem U-Profil angeordnet, deren unteres freies Ende ein Winkeloffset 21 hat, dessen horizontaler Teil an der horizontalen Seite dieser kleineren zweistufigen Aufnahme 15 anliegt und innerhalb dieser Kathodenplatte ein keramisches Quadratformteil 22 mit den beidseitigen Nuten 22' zur Verteilung der Luft angeordnet ist, dagegen werden im oberen höheren Teil der Rahmenaufnahme 15 auf dem oberen Teil 23 der Kathodenplatte 20 zwei einseitig genutete Brennstoffzellen 24 des Moduls 3 angeordnet, die mit ihren Nuten 25 zueinander gerichtet sind und voneinander durch eine gelochte hitzebeständige Metall-Anodenplatte 26 mit einem U-förmig gebogenem Ende 27 getrennt, das am horizontalen Teil des Winkeloffsets 21 der Kathodenplatte 20 anliegt. Außerdem werden die Kontaktflächen der Brennstoffzellen 24 mit den seitigen Wandflächen der zweistufigen Rahmenaufnahmen 15 der keramischen Rahmen 4 und die Flächen der gestapelten Keramikrahmen 4 mit dem in der Zeichnung nicht dargestellten Hochtemperatur-Keramikpapier abgedichtet, das mit fein gemahlenem Glas-Keramik-Stoff gesättigt wird. Alle einseitig genuteten Brennstoffzellen 24 haben an der Seite ihrer Nuten 25 eine Anodenschicht 28 mit der Dicke 1,2 mm, aus Komposit NiO, Y-ZrO₂ (Zirkondioxid mit Yttriumoxid stabilisiert) ausgeführt, welche die Tragschicht dieser Zelle bildet und an ihrer flachen Fläche anliegende Schicht des festen Elektrolyten 29 mit der Dicke 5 μm, aus ZrO₂ ausgeführt, mit Y₂O₃ stabilisiert, und daran anliegende Kathodenschicht (Kathode) 30 aus dem Material mit Perowskit-Struktur bestehend aus Gemisch der Oxide La, Sr, Co und Fe (LCSF) mit der Dicke von 30 μm und Oxide La, Sr, Mn (LSM) mit der Dicke 200 μm. Die Metallhaube 5 zum Verdecken des Satzes von kompletten Modulen 3 ist mit dem Buchsenstutzen 31 zur Zuführung des Gasbrennstoffes zum Sammel-Winkelkanal 32 und mit dem Buchsenstutzen 33 zur Zuführung der Luft zum Sammel-Winkelkanal 34 ausgestattet – die von diesen Modulen und dieser Haube gebildet werden, wobei die Enden der horizontalen Teile 35 und 35', die in der Metallhaube 5 ausgeführt sind, mit Metallstopfen 36 gesichert sind und die vertikalen Abschnitte 37 und 37' entsprechend die Verlängerung der Öffnungen 9 bilden, die den vertikalen Teil des Sammelkanals 32 bilden und die Verlängerung der Öffnungen 10, die den vertikalen Teil des Sammelkanals 34 bilden. Weiterhin bilden die anderen Öffnungen 11, die in Keramikrahmen 4 des Satzes 2 der Module 3 ausgeführt werden, den Sammelkanal 38 zur Ableitung des Stickstoffs, auf dessen Verlängerung in der Metallbasis 1 eine Durchgangsöffnung 39 ausgeführt ist, die mit einen Buchsenstutzen 40 abgeschlossen ist, und die Öffnungen 12 dieser Rahmen bilden den Sammelkanal 41 zur Ableitung der Abgase, auf dessen Verlängerung in der Metallbasis 1 eine Durchgangsöffnung 42 ausgeführt ist, die mit einen Buchsenstutzen 43 abgeschlossen ist. Außerdem werden sowohl die Metallbasis 1, der darauf ruhende Komplex 2 von fünf kompletten Modulen 3 von zwei Brennstoffzellen 24 sowie die ihn verdeckende Metallhaube 5 mit Hilfe von vier Druckschrauben 44 und 45 miteinander verbunden, welche an den Ecken angeordnet werden und in den Öffnungen 8 und 8' der keramischen Formteile 4 situiert sind sowie in den koaxial liegenden Öffnungen 46, die in der Metallbasis 1 ausgeführt werden und in den Öffnungen 47, die in der Metallhaube 5 ausgeführt werden. Darüber hinaus werden im unteren Teil der Metallbasis 1 zwei Schrauben 45 an den Ecken einer kürzeren Seite des Komplexes 2 angeordnet und mit der Metallplatte 48 überbrückt, die an den Flanschen der keramischen Flanschbuchsen 49 anliegt, die in dieser Basis entlang der Verlängerung von koaxial zueinander angeordneten Öffnungen 8' des Komplexes 2 angeordnet werden und mit den Schraubenköpfen 50 gedrückt werden, dagegen werden die Köpfe 50' der zwei sonstigen Druckschrauben 44 auf der gegenüberliegenden Seite des Komplexes 2 angeordnet und liegen direkt an der unteren Fläche dieser Metallbasis an. Weiterhin werden die oberen Enden der Druckschrauben 44 und 45 in den keramischen Distanzbuchsen 51 angeordnet, die an der oberen Fläche der Metallhaube 5 ruhen, und außerdem werden die oberen Enden von zwei Druckschrauben 44 in den keramischen Flanschbuchsen 52 situiert, die in den Öffnungen dieser Haube angeordnet werden, welche koaxial zu den Öffnungen 8 des Komplexes 2 liegen, und in den Flanschen 53 dieser Buchsen liegen analog die keramischen Distanzbuchsen 51, die auch auf diese Schrauben aufgesetzt werden, dagegen liegen auf den Stirnen dieser Distanzbuchsen die auf die Schrauben 44 und 45 gesetzten Schraubenfedern 54, die an die Buchsen mit Hilfe der Ringscheiben 55 mit Mutter 56, die auf diese Schrauben aufgedreht werden, gedrückt werden. Die Öffnungen 9, 10, 11 und 12 in den keramischen Rahmen 4 haben Rechteckform mit den abgerundeten kürzeren Seiten.
• Im zweiten Ausführungsbeispiel, das in der Zeichnung 29 dargestellt wird, hat der Stapel erfindungsgemäß den Komplex 2, der aus fünfzehn identischen kompletten Modulen 3 von zwei identischen wie vorher im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben Brennstoffzellen gebildet ist, wobei in diesem Stapel die einseitig genuteten Brennstoffzellen 24 verwendet werden, derer Anodenschicht 28 eine Dicke von 2 mm hat, die Elektrolytenschicht 29 die Dicke von 15 μm, aus ZrO₂ ausgeführt, aber mit Sc₂O₃ stabilisiert, und die daran anliegende Kathode 30 die Dicke von 200 μm.
• Im weiteren erfindungsgemäßen, in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsbeispiel des Stapels, werden als Brennstoffzellen 24 die Festoxidbrennstoffzellen von Typ CS SOFC verwendet, wo die Elektrolytenschicht 29 das Zirkondioxid mit Y₂O₃ stabilisiert mit der Dicke von 8 μm bildet, und die Kathode 30 die Dicke von 1,5 mm hat und einseitig genutet ist und gleichzeitig eine Tragschicht zur Übertragung von mechanischen Belastungen bildet, und die Anode 28 in Form der flachen Schicht mit der Dicke von 150 μm ausgeführt ist, was die geänderte Lage der Stellen zur Zuführung des Brennstofes und der Luft sowie zur Ableitung der Abgase und des Gases verursacht. Außerdem werden in dieser Ausführung die keramischen Rahmen eingesetzt, die mit ovalen Öffnungen 9, 10, 11 und 12 ausgestattet sind.
• Das Prinzip der Erzeugung der elektrischen Energie mit Hilfe des Zellenstapels beruht gemäß Erfindung darin, dass so ausgeführter Stapel von Brennstofzellen in eine Blechkammer angebracht wird – Gehäuse, das innen mit der Faserschicht der Wärmeisolierung ausgekleidet ist und mit den Heizschlangen den Stapel umgebend ausgestattet ist, und an die nach außen vorstehenden Enden der zwei Schrauben 44 und 45 die elektrischen Leitungen angeschlossen werden, die mit dem Empfänger der elektrischen aus Gas erzeugten Energie verbunden sind, nicht in der Zeichnung gezeigt. Der Gasbrennstoff, vorzugsweise Wasserstoff oder Gemisch von Wasserstoff und Kohlendioxid, beispielsweise Synthesegas oder Produkte erhalten aus Reforming von Kohlenhydraten wie: Erdgas, Biogas oder Methanol, die unter dem Druck von 30 kPa zum Brennstoffstutzen 31 zugeführt werden, der in der hitzebeständigen Metallhaube 5 dieses Stapels befestigt wird, wovon der Brennstoff über den horizontalen Kanal 35 zum vertikalen Sammelkanal 32 übergeht, weiter verfährt er durch die Pinlöcher 16 zwischen den Nuten 25 von zwei gegenüberliegenden Anodenschichten 28 der Brennstoffzellen 24, die voneinander mit der hitzebeständigen gelochten Metall-Anodenplatte 26 zur Ableitung der elektrischen Ladungen getrennt werden. Zu Buchsenstutzen 33, der in der hitzebeständigen Metallhaube 5 unter dem Druck von 30 kPa abgesetzt ist, wird gleichzeitig die erforderliche Luft zur Verbrennung der Gase zugeführt, die durch den horizontalen Kanal 35' zum vertikalen Sammelkanal 34 übergeht, wovon sie durch die Pinlöcher 17 zwischen den doppelten Nuten 22' des keramischen Formteils 22 zur Verteilung der Luft in zwei benachbarte flache Kathodenflächen 30 der Brennstoffzellen 24 verfährt. Gleichzeitig unterliegt der in dieser Luft enthaltene und auf die Flächen dieser Kathoden gelieferte Sauerstoff der Ionisierung durch den Anschluss von zwei Elektronen aus dem Außenkreis, und die entstandenen Ionen O^–2 verfahren infolge der Differenzen des Partialdruckes des Sauerstoffes an beiden Seiten dieser Zellen durch die Sauerstoff-Leerstellen der Kristallstruktur der festen Elektrolytschicht 29, in Richtung ihrer Anoden 28, wo sie durch gelochte Anodenplatten 26 zwei Elektronen zu dem Außenkreis, der mit dem nicht in der Zeichnung gezeigten Energieempfänger verbunden ist, ausgeben, während sich die entstanden Sauerstoffatome mit den Wasserstoff- und/oder Kohlendioxid-Molekülen verbinden und den Wasserdampf und/oder Kohlendioxid bilden, die durch die Pinlöcher 19 jedes keramischen Rahmens 4, diagonal zu Pinlöchern zur Zuführung des Brennstoffes 16 liegend, zum Sammel-Abgaskanal 41 übergehen und weiter durch den Auslauf-Buchsenstutzen 43 der Metallbasis 1 außerhalb des Gerätes, das den erfindungsgemäßen Stapel enthält, führen, dagegen fließt der in der Kathodenfläche verbleibende Stickstoff mit der restlichen Luft aus den Pinlöchern 18 dieses Keramikrahmens, die diagonal zu den Pinlöchern für den Lufteinlass 17 angeordnet sind, wovon er durch den Sammelkanal des Stickstoffes 38 und den Buchsenstutzen 40 der Metallbasis 1 außerhalb des Gerätes abgeleitet wird.
• Weiterhin werden die elektrischen Ladungen, die an beiden benachbarten Anodenschichten 28 der Brennstoffzellen 24 entstanden sind, durch gelochte Anodenplatten 26 gesammelt, die zwischen den Paaren der genuteten Flächen mit Anodenschichten 28 von zwei Brennstoffzellen 24 angebracht sind und zu den Kathodenschichten 30 der benachbarten Module 3 mit Hilfe der gelochten Metall-Kathodenplatten 20 weitergeleitet, die sich mit den gelochten Anodenplatten 26 berühren. Diese Reihendverbindung der Module 3, die aus zwei Brennstoffzellen 24 gebildet werden, ermöglicht bei dem Gleichstrom den allmählichen Aufstieg der Spannung des Stapels, derer Wert von der Anzahl dieser gestapelten Module und der Wirkfläche der Zellen abhängig ist. Außerdem berühren sich die gelochten Metall-Kathodenplatten 20 von der Unterseite des erfindungsgemäßen Stapels mit der Metallbasis 1, die sich wiederum mit zwei in dieser Basis nicht isolierten, den Stapel druckenden Schrauben 44 berühren, die an einer der kürzeren Seite der keramischen Rahmen 4 angeordnet sind, wobei diese Schrauben durch die isolierten keramischen Flanschbuchsen 52, die in der Metallhaube 5 dieses Stapels angeordnet sind, übergehen. Weiterhin berühren sich die gelochten Metall-Anodenplatten 26 im oberen Teil des Stapels mit der Metallhaube 5 und mit zwei anderen Druckschrauben 45, deren untere Enden die isolierten keramischen Distanzbuchsen 49 überqueren, die in der Metallbasis 1 des Stapels angeordnet sind und von unten mit der Metallplatte 48 verbunden sind. Die in den Brennstoffzellen 24 erzeugte elektrische Energie wird zum entsprechenden Empfänger durch elektrische Leitungen übertragen, die am kalten Oberteil der gegenüberliegenden Druckschrauben 44 und 45 mit den nicht in der Zeichnung dargestellten Muttern befestigt werden. In einem thermisch isolierten mit Heizschlangen ausgestatteten Metallkammergehäuse kann ein in der Beispielausführung beschriebener Brennstoffzellenstapel oder mehrere solche Stapel eingebaut werden, die von Heizschlangen umgeben oder entlang den längeren Seiten getrennt sind, wobei diese Stapel je nach den Strom- und Spannungsbedürfnissen miteinander in Reihe oder parallel außerhalb des Gerätes verbunden werden können. Für die Verbesserung der Effizienz des gesamten Systems kann das Gerät außerdem mit Wärmeaustauschern Stickstoff-Luft und/oder Abgase-Luft ausgestattet sein.
• Bezugszeichenliste

1

hitzebeständige Metallbasis

2

Satz von sechs Modulen der zwei Brennstoffzellen

3

Modul der zwei Brennstoffzellen

4

Keramikrahmen des Moduls

5

hitzebeständige Metallhaube

6

umlaufende Nuten des Keramikrahmens, Metallbasis und Metallhaube

7

umlaufende Feder des Keramikrahmens, Metallbasis und Metallhaube

8

zwei Öffnungen für die Schrauben zum Drücken des Stapels

8'

zwei Öffnungen für die Schrauben zum Drücken des Stapels

9

rechteckige Öffnung des Keramikrahmens mit abgerundeten kürzeren Seiten oder ovale Öffnung zur Zuführung des Brennstoffes

10

rechteckige Öffnung des Keramikrahmens mit abgerundeten kürzeren Seiten oder ovale Öffnung zur Zuführung der Luft

11

rechteckige Öffnung des Keramikrahmens mit abgerundeten kürzeren Seiten oder ovale Öffnung zur Ableitung von Stickstoff

12

rechteckige Öffnung des Keramikrahmens mit abgerundeten kürzeren Seiten oder ovale Öffnung zur Ableitung von Abgasen

13

Oberfläche des Keramikrahmens

14

zentraler Quadratrahmen des keramischen Rahmens

15

zweistufige Rahmenaufnahme im keramischen Rahmen

16

Pinlöcher zur Verbindung der zweistufigen Rahmenaufnahme mit der Öffnung zur Zuführung des Brennstoffes

17

Pinlöcher zur Verbindung der zweistufigen Rahmenaufnahme mit der Öffnung zur Zuführung der Luft

18

Pinlöcher zur Verbindung der zweistufigen Rahmenaufnahme mit der Öffnung zur Ableitung des Stickstoffs

19

Pinlöcher zur Verbindung der zweistufigen Rahmenaufnahme mit der Öffnung zur Ableitung der Abgase

20

gelochte Metall-Kathodenplatte

21

Winkeloffset der gelochten Kathodenplatte

22

keramisches Formteil mit beidseitigen Nuten

22'

beidseitige Nuten des keramischen Formteils

23

Oberteil der gelochten Kathodenplatte

24

einseitig genutete Brennstoffzelle

25

Nuten der einseitig genuteten Zelle

26

gelochte Metall-Anodenplatte

27

Ende der gelochten Anodenplatte mit U-Profil

28

Anodenschicht der einseitig genuteten Brennstoffzelle

29

Festelektrolytenschicht der einseitig genuteten Brennstoffzelle

30

Kathodenschicht der einseitig genuteten Brennstoffzelle

31

Buchsenstutzen der Metallhaube zur Zuführung des Brennstoffes

32

Sammel-Winkelkanal zur Zuführung des Brennstoffes

33

Buchsenstutzen der Metallhaube zur Zuführung der Luft

34

Sammel-Winkelkanal zur Zuführung der Luft

35

horizontaler Stutzen des Sammelkanals zur Zuführung des Brennstoffes

35'

horizontaler Stutzen des Sammelkanals zur Zuführung des Brennstoffes

36

Metallstopfen

37

vertikaler Abschnitt des Sammel-Winkelkanals zur Zuführung des Brennstoffes

37'

Vertikaler Abschnitt des Sammel-Winkelkanals zur Zuführung der Luft

38

Sammelkanal zur Ableitung des Stickstoffs

39

Durchgangsöffnung der Metallbasis

40

Buchsenstutzen der Metallbasis zur Ableitung des Stickstoffs

41

Sammelkanal zur Ableitung der Abgase

42

Durchgangsöffnung der Metallbasis

43

Buchsenstutzen der Metallbasis zur Ableitung der Abgase

44

Schrauben zum Drücken des Stapels

45

Schrauben zum Drücken des Stapels

46

Öffnungen für die Schrauben der Metallbasis

47

Öffnungen für die Schrauben der Metallhaube

48

Metallplatte zum Überbrücken der Schraube

49

Flanschbuchsen der Metallbasis

50, 50'

Schraubenköpfe zum Drücken des Stapels

51

keramische Distanzbuchsen der Metallhaube

52

keramische Flanschbuchsen der Metallhaube

53

Flansche der Flanschbuchsen

54

Schraubenfedern

55

Scheiben für Mutter

56

Mutter der Druckschrauben

Claims (5)

1. Der Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung der elektrischen Energie mit den Modulen, die mit Gasstrom als Brennstoff und Oxidationsmittel gespeist werden, die zu den einzelnen Modulen von zwei Brennstoffzellen geführt werden dadurch gekennzeichnet, dass er sich aus einem Satz (2) bestehend aus einigen oder mehr identischen Modulen (3) von zwei Brennstoffzellen zusammensetzt, die in Form des Quaderkörpers gestapelt und miteinander trennbar verbunden sind, aus hitzebeständiger Metallbasis (1), auf der ein Modulsatz (2) liegt und aus hitzebeständiger Metallhaube (5) zum Verdecken des Satzes, die mit dem Buchsenstutzen (31) zur Zuführung des Gasbrennstoffes zum inneren Sammel-Winkelkanal (32) und mit Buchsenstutzen (33) zur Zuführung der Luft zum inneren Sammel-Winkelkanal (34) ausgestattet ist, dagegen ist die hitzebeständige Metallbasis (1) mit dem Buchsenstutzen (43) ausgestattet, der die Verlängerung des inneren Sammelkanals (41) zur Ableitung der Abgase bildet und Buchsenstutzen (40), der die Verlängerung des inneren Sammelkanals (38) zur Ableitung von Stickstoff bildet, wobei sich jeder der Module (3) von zwei Brennstoffzellen aus dem Keramikrahmen (4) zusammensetzt, der um die zentral darin gelegene Durchgang-Quadratöffnung (14) eine zweistufige Rahmenaufnahme (15) aufweist, in deren unterem Teil eine gelochte hitzebeständige Metall-Kathodenplatte (20) mit U-Profil und Winkeloffset (21) des oberen Endes angeordnet ist, innerhalb der sich ein beidseitig genuteter Keramik-Formteil (22) befindet, dagegen werden auf dem flachen Teil (23) der Kathodenplatte (20) zwei einseitig genutete Brennstoffzellen (24) angeordnet, die mit ihren Nuten (25) zueinander gerichtet sind und voneinander durch eine gelochte hitzebeständige Metall-Anodenplatte (26) mit einem U-förmig gebogenem Ende (27), das am Winkeloffset (21) der Kathodenplatte (20) anliegt, getrennt werden.
2. Stapel gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass jede seine einseitig genutete Brennstoffzelle (24) eine Traganodenschicht (28) mit der Dicke von 0,8–2,0 mm bildet, die aus Komposit von NiO und ZrO₂ mit Y₂O₃, stabilisiert, besteht, aus der an Seite der Nuten (25) und an der flachen Fläche anliegende Schicht des festen Elektrolyten (29) mit der Dicke von 5–15 μm aus ZrO2 stabilisiert mit Y2O3 oder Sc2O3 und aus der anliegenden Kathodenschicht-Kathode (30) mit der Dicke von 100 bis 250 μm, aus dem Material mit Perowskit-Struktur bestehend aus Gemisch der Oxide La, Sr, Co und Fe (LSCF) sowie Oxide La, Sr, Mn (LSM).
3. Stapel gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Keramikrahmen (4) jedes Moduls des Brennstoffzellenpaares (24) an den oberen Flächen (13) der kürzeren Seiten je zwei Durchgangs-Profilöffnungen koaxial gegeneinander situiert aufweist und nämlich an einer der Seiten eine Öffnung (9) zur Zuführung des Gasbrennstoffes und eine Öffnung (10) zur Luftzuführung hat und an der anderen kürzeren Seite eine Öffnung (11) zur Ableitung von Stickstoff und eine Öffnung (12) zur Ableitung von Abgasen hat und darüber hinaus wird eine Seitenwand der Öffnung (9) mit Hilfe der Pinlöcher (16) mit der oberen Seitenwand der zweistufigen Rahmenaufnahme (15) verbunden, eine Seitenwand der Öffnung (10) wird mit Hilfe der Pinlöcher (17) mit der unteren Seitenwand dieser Aufnahme verbunden, dagegen wird die Seitenwand der Öffnung (11) mit Hilfe der Pinlöcher (18) mit der unteren Seitenwand der zweistufigen Rahmenaufnahme (15) verbunden und die Seitenwand der Öffnung (12) mit Hilfe der Pinlöcher (19) mit der oberen Seitenwand dieser Aufnahme verbunden.
4. Stapel gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich das Unterteil der gelochten hitzebeständigen U-Profil-Kathodenplatte (20) mit der hitzebeständigen Metallbasis (1) berührt, die sich mit zwei in der hitzebeständigen Haube (5) des Satzes (2) isolierten Schrauben (44) berührt, welche diesen Satz drücken, und sich die obere gelochte Metall-Anodenplatte (26) mit der hitzebeständigen Metallhaube (5) berührt und diese sich mit zwei sonstigen Schrauben (45) berührt, die diesen Satz drücken und in der Basis (1) isoliert sind.
5. Stapel gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen der Brennstoffzellen (24) mit den Wandflächen der zweistufigen Rahmenaufnahmen (15) sowie die Kontaktflächen der gestapelten Keramikrahmen (4) mit dem Keramikpapier, das mit fein gemahlenem Glas-Keramik-Stoff gesättigt wird, abgedichtet sind.

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