DE3616878A1 - Serienmaessig verbundene festoxidbrennstoffzellen mit monolithischen kernen - Google Patents

Description

Serienmäßig verbundene Festoxidbrennstoffzellen mit monolithischen Kernen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle . gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Brennstoffzelle ist im Prinzip eine galvanische Energieumwandlungsvorrichtung, die in chemischer Weise Wasserstoff oder einen Kohlenwasserstoffbrennstoff und ein Oxidationsmittel innerhalb katalytischer Umgrenzungen umwandelt, um eine elektrische Gleichspannungsausgangsgröße zu erzeugen. In einer Brennstoffzellenform defi-

•jO niert das Kathodenmaterial die Durchlässe für das Oxidationsmittel und das Anodenmaterial definiert die Durchlässe für den Brennstoff und ein Elektrolyt trennt die Kathoden- und Anodenmaterialien. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel, typischerweise in der Form von Gasen, werden sodann kontinuierlich durch die Zellendurchlässe getrennt voneinander geleitet und nicht-verbrauchter Brennstoff und Oxidationsmittel treten aus der Brennstoffzelle aus, wobei im allgemeinen auch die Reaktionsprodukte und die in der Zelle erzeugte Wärme entfernt werden. Da der Brennstoff und das Oxidationsmittel eingespeist werden, werden sie im allgemeinen nicht als ein integraler

- 7 Teil der Brennstoffzelle selbst angesehen.

Die Brennstoffzellenart, auf die sich die vorliegende Erfindung direkt bezieht, ist als die Festelektrolyt-5 oder Festoxidbrennstoffzelle bekannt, wo der Elektrolyt in fester Form in der Brennstoffzelle vorliegt. Bei der Solid- oder Festoxidbrennstoffzelle wird Wasserstoff oder ein Kohlenstoff hoher Ordnung als Brennstoff verwendet und Sauerstoff oder Luft wird als das Oxidationsmittel eingesetzt, wobei die Betriebstemperatur in der Brennstoffzelle zwischen 700 und 1100 ⁰C liegen.

Die Wasserstoffreaktion an der Anode (der negativen Elektrode) mit den Oxidionen erzeugt·< Wasser, wobei Elektronen freigesetzt werden. Die Sauerstoffreaktion an der Kathode mit Elektronen bildet in effektiver Weise Oxidionen. Elektronen fließen von der Anode durch die entsprechende externe Last aar Kathode und die Schaltung wird interndurch den Transport von Oxidionen durch den Elektrolyt geschlossen. Der Elektrolyt isoliert jedoch elektrisch Kathode und Anode voneinander. Die Reaktionen sind daher die folgenden:

Die gesamte Zellenreaktion ist die folgende:

H₂ + 1/2 O₂ H₂O (3)

Ergänzend zum Wasserstoff kann der Brennstoff abgeleitet sein aus einem Kohlenwasserstoff, beispielsweise Methan (CH₄), reformiert durch die Aussetzung gegenüber Dampf bei 350 bis 800 ⁰C, wobei anfangs Kohlenmonoxid (CO) und drei Moleküle Wasserstoff erzeugt werden. Wenn der Wasser-

Kathode	1/2 O2	+ 2e"	H2O	Ο"2	(1)
Anode	H2 +0	~2	+ 2e".	(2)

stoff verbraucht wird, verschiebt sich die Reaktion wie folgt:

CO + H₂O CO₂ + H₂ (4) 5

Die Gesamtreaktion der Kohlenwasserstoffe wird illustriert durch folgendes:

CH₄ + 2O₂ CO₂ + 2H₂O. (5) 10

Da die Umwandlung eine elektrochemische Umwandlung ist, werden die thermischen Grenzen des Carnot-Kreislaufs umgegangen. Daher liegen die Wirkungsgrade im Bereich von 50 % Brennstoffwärmeenergieumwandlung zur elektrischen Ausgangsgröße in der Theorie. Dies liegt wesentlich höher als bei äquivalenten thermischen Maschinen, die die gleiche Brennstoffumwandlung verwenden, und zwar einschließlich der konventionellen durch Diesel angetriebenen Maschinen.

Der Elektrolyt isoliert die Brennstoff- und Oxidationsmittelgase voneinander, wobei aber doch ein Medium vorgesehen wird, welches den Ionentransfer und den Spannungsaufbau am Elektrolyten gestattet. Die Elektroden (Katho- de und Anode) sehen für die interne Bewegung des elektrischen Stroms innerhalb der Brennstoffzelle zu den Zellenklemmen Pfade vor, die auch die Verbindung mit einer externen Last herstellen. Die Spannung an jeder Zelle liegt in der Größenordnung von maximal 0,7 Volt, so daß die einzelne Zelle elektrisch in Serie geschalten werden muß, um eine brauchbare Spannung zu erhalten. Eine Serienverbindung wird zwischen benachbarten Zellen mit einem Zwischenverbindungsmaterial erreicht, welches die Brennstoff- und Oxidationsmittelgase voneinander trennt, aber doch die Anode der einen Zelle mit der Kathode der benachbarten Zelle verbindet. Da die aktive elektrochemi-

sehe Erzeugung von Elektrizität nur an den Elektrolytteilen der Brennstoffzelle erfolgt, macht jede Zwischenverbindungstrennung zwischen der Kathode und Anode, vorgesehen für die elektrische Serienverbindung zwisehen den Zellen, diesen Teil der Brennstoffzelle elektrisch nicht produktiv. Der Prozentsatz an Zwischenverbindung zum jede Zelle definierenden Elektrolytwandgebiet könnte, wenn hochliegend, signifikanterweise die Energie oder Leistungsdichten einer solchen Brennstoffzelle reduzieren.

Die Diffusion der Reaktionsspezies (Brennstoff oder Oxidationmittel) durch die Elektrode begrenzt auch die Zellenleistungsfähigkeit. Brennstoff und Oxidationsmittel müssen rechtwinklig vom Fluß in den entsprechenden Durchlässen durch die Elektroden zu den Reaktionsplätzen diffundieren.Der Brennstoff und das Oxidationsmittel diffundieren durch die Elektroden und reagieren an (oder nahe) der Drei-Phasengrenze der Gase, der Elektrode (Anode oder Kathode) und des Elektrolyten, wo der elektrochemische Verbrauch auftritt. Da der Wasserstoffpartialdruck der Brennstoffgase entlang der Längeder Brennstoffdurchlässe abnimmt, wird nahe oder am stromabwärts gelegenen Ende der Brennstoffdurchlässe weniger Spannung erzeugt.

Obwohl es möglich ist, große Energiemengen aus dem Brennstoff thermisch und elektrisch zu extrahieren, so ist es doch auch von Natur aus ineffizient, solche Energien bis zur vollständigen Verarmung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels zu entziehen. Die vollständige Umwandlung des Brennstoffs in den Brennstoffzellen wird somit nicht angestrebt, da dies von Natur ineffizient hinsichtlich der gesamten Ausgangsgröße der Zellenspannung ist. Sowohl für eine einzige Zelle wie auch Zellen in Gasströmungserie nimmt die theoretisch maximale Spannung längs der Zelle ab. In der Praxis brauchbare Brennstoffzellen ver-

brauchen daher nur 80 bis 90 % des Brennstoffs, weil die Zellenspannung schnell abnimmt, wenn der Wasserstoff weniger als 5 % des Brennstoffgases einnimmt. Die Reduktion der maximalen Zellenspannung beim Verbrauch des Brenn-Stoffs ist eine wichtige Einschränkung.

Eine vorgeschlagene Reihe von Festoxidbrennstoffzellen verwendet ein keramisches Tragrohr und die Elektroden (Anode und Kathode) und der Elektrolyt sind als Schichten auf dem Tragrohr ausgebildet. Das Tragrohr ist in einem abgedichteten Gehäuse umschlossen und Brennstoff und Oxidationsmittel werden durch Sammelleitungen in das Gehäuse eingeführt und die Reaktionsprodukte werden nach Erfordernis vom Gehäuse abgegeben. Abhängig von dem Schichtenaufbau wird der Brennstoff entweder intern zum Tragrohr übertragen und das Oxidationsmittel wird extern zum Tragrohr (oder umgekehrt) übertragen. Eine praktische Brennstoffzelleneinheit würde aus vielen solchen Rohren, angeordnet innerhalb eines Außengehäuses aufgebaut sein und die Sammelleitungszuführung würde den Brennstoff und das Oxidationsmittel nahe den Rohren trennen und leiten.

Ein typisches Tragrohr könnte aus mit Calcium stabilisiertem Zirconoxid (ZrO₂+CaO) hergestellt sein. Typischerweise würde die Kathode auf der Außenstirnfläche des Tragrohrs aufgebracht sein und könnte in der Form von Lanthan-Manganit (LaMnO₃) vorgesehen sein. Der Elektrolyt wäre über einen Teil der Kathode geschichtet vorgesehen und würde beispielsweise aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconoxid (ZrO₂+Y₂O₃) bestehen. Die Anode wäre über dem Elektrolyt geschichtet und würde beispielsweise aus einem Cobaltyttriumoxid stabilisierten Zirconoxidcermet oder einer Mischung (00+ZrO₂Y₃O₃) bestehen. Das Oxidationsmittel würde dadurch intern zum strukturellen Rohr fließen, wohingegen der Brennstoff extern gegenüber dem Rohr zirkuliert wird. Für einen Teil der Zelle, wo eine Serienverbindung mit

einer benachbarten Zelle hergestellt werden muß. würde die Zwischenverbindung geschichtet über der Kathode an dieser Stelle vorgesehen sein anstelle des Elektrolyten und der Anode, um die Anode der benachbarten Zelle zu erfassen. Die Zwischenverbindung könnte beispielsweise aus Lanthanchromit (LaCrO₃) bestehen.

Um diese Art einer Brennstoffzelle zu bilden, muß das Tragrohr mit einem hohen Porositätsausmaß ausgeformt werden. Selbst bei 40 % Porosität repräsentieren die geschichtete Anode und Kathode große Diffusionsbarrieren. Die Diffusionsverluste steigen sehr steil bei hohen Stromdichten an und bilden eine Grenze hinsichtlich des Stroms und somit der Leistung. Die minimale Größe des Tragrohrs beträgt ungefähr 1 cm im Durchmesser, wobei eine Seitenwand ungefähr 1 mm dick ist. Ein einschränkender Faktor dieser TragrohrkernanOrdnung ist die Länge der Bahn, die der Strom längs der Kathoden- und Anodenmaterialien laufen muß, wodurch siginifikante elektrische Widerstands-

2Q Verluste entstehen. Gemäß einer Bemühung dies zu minimieren, wurden die entsprechenden Rohre in Längsrichtung gekürzt und Ende an Ende aufeinander gestapelt, und die Anoden und Kathoden der aufeinanderfolgenden entsprechenden Rohre wurden serienweise mit einer Zwischenverbindung verbunden. Dies ergibt ein einziges Rohr, durch welches der Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel laufen, wobei die Serienverbindung eine höhere Spannung erzeugt, und zwar kumulativ für die gesamte Zahl der in Reihe geschalteten einzelnen Rohre. Der Stromfluß erfolgt auf einer Linie mit der Richtung des Brennstoff und/oder Oxidationsmittelflusses, nämlich axial entlang der Rohrlänge.

Eine alternative Konstruktion sieh.t eine elektrische Zwischenverbindung am Sehnenbogenabschnitt des Rohrs, verbunden mit der Innenanode vor, beispielsweise werden dabei benachbarte Rohre tangential benachbart zueinander

gestapelt, um eine Kathoden-Anoden-Serienanordnung zu schaffen. Der Strom muß umfangsmäßig längs der Kathoden- und Anodenmaterialien laufen, was beträchtliche elektrische Widerstandsverluste bedeutet. 5

Darüber hinaus sind die Rohrträger nicht produktiv und schwer, so daß die Leistungs- und Energiedichten abnehmen, verglichen mit anderen Formen der Energieumwandlung, und zwar einschließlich sogar der Form, wo Flüssigelektrolytbrennstoffzellen üblicherweise bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden.

Zusammenfassung der Erfindung. Die Erfindung sieht eine verbesserte Konstruktion der serienmäßig verbundenen Brennstoffzellen vor, wobei jede einen Bienenwabenkern besitzt, und zwar bestehend aus zahlreichen kleinen individuellen monolithisch gebildeten Zellen oder Durchlässen, durch welche der Brennstoff und das Oxidationsmittel für die elektrochemische Umwandlung desselben laufen.

Ein Grundziel der Erfindung besteht darin, eine Konstruktion oder Anordnung aus in Serie geschalteten Brennstoffzellensegmenten vorzusehen, deren jedes einen monolithischen Bienenwabenbrennstoffzellenkern aufweist, und zwar bestehend allein und ausschließlich aus der aktiven Anode, Kathode, Elektrolyt und Zwischenverbindungsmaterialien, und wobei keine nicht-aktiven Materialien für die Stützung oder Halterung erforderlich sind.

Gemäß einem speziellen Ziel der Erfindung wird eine Konstruktion oder Anordnung von serienmäßig verbundenen Brennstoffzellensegmenten vorgesehen, wobei jedes Brennstoffzellensegment einen monolithischen Bienenwabenbrennstoffkern aufweist, und zwar bestehend allein und ausschließlich aus entweder den Anoden-und Kathodenmaterialien mit sandwichartiger Anordnung des Elektrolyten oder

aus Anoden- und Kathodenmaterialien mit sandwichartiger Anordnung des Zwischenverbindungsmaterials, wobei die Zellen ansonsten keine nicht-aktiven Materialien für die Halterung aufweisen.
5

Gemäß einem weiteren Ziel der Erfindung wird eine Konstruktion oder Anordnung eines serienmäßig verbundenen Brennstoffzellensegments vorgesehen, wobei jedes einen monolithischen Kern aufweist, und zwar bestehend allein und ausschließlich aus den speziellen aktiven Materialien einschließlich Anode, Kathode, Elektrolyt und Zwischenverbindungsmaterial, wobei die entsprechenden Teile der Kernwände in ähnliche zusammengesetzte Strukturen verschmolzen sind, und wobei diese Teile in Seite an Seite alternativ definierten Anordnungen von Durchlässen orientiert sind, und zwar geeignet für den Durchlaß von Brennstoff und Oxidationsmittel durch alternativ benachbarte Durchlässe, wo longitudinal benachbarte Brennstoffzellensegmente die Anoden und Kathoden serienmßig verbunden aufweisen.

Gemäß einem weiteren Ziel der Erfindung wird eine Brennstoffzelle für die elektrochemische Vereinigung von Brennstoff und Oxidationsmittel zur Erzeugung einer galvanischen Ausgangsgröße vorgesehen, die folgendes aufweist: eine Anordnung aus in Längsrichtung angeordneten BrennstoffzellenSegmenten in Serienverbindung, wobei jedes Brennstoffzellensegment im wesentlichen aus dünnen Schichten von Kathodenmaterial und Anodenmaterial besteht, und zwar sandwichartig eine dünne Elektrolytmaterialschicht aufweisen, und derart aufgebaut, daß eine Vielzahl von Brennstoff-und Oxidationsmitteldurchlässen definiert wird, wobei die Innenstirnflächen nur das Anodenmaterial oder nur das Kathodenmaterial sind und wobei das Zwischenverbindungsmaterial eine elektrische Reihenverbindung zwischen den Kathoden und Anoden der longitudinalen benachbarten

Brennstoffzellensegmente vorsieht, und wobei Mittel vorhanden sind, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel durch die entsprechenden Durchlässe zu leiten, und wobei schließlich Mittel vorhanden sind, um die galvanische Ausgangsgröße von den Anoden-und Kathodenmaterialien zu einer äußeren Schaltung zu führen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Brennstoffzellensegment vorzusehen, und zwar für elektrochemisehe Kombination von Brennstoff und Oxidationsmittel zur Erzeugung einer galvanischen Ausgangsgröße, wobei folgendes vorgesehen ist: eine Bienenwabe, bestehend im wesentlichen aus dünnen Schichten von Kathodenmaterial und Anodenmaterial, jeweils sandwichartig mit einer dünnen Schicht aus Elektrolytmaterial,aufgebaut zur Definition einer Vielzahl von Brennstoff- und Oxidationsmitteldurchlässen, wobei die Innenstirnflächen derselben nur das Anodenmaterial oder nur das Kathodenmaterial sind, und wobei jeder Durchlaß das Kathodenmaterial sich über das Anodenmaterial hinaus erstreckend an einem Ende aufweist, und wobei das Anodenmaterial sich am anderen Ende über das Kathodenmaterial hinaus erstreckt.

Die Anoden-, Kathoden-, Elektrolyt- und Zwischenverbindungs-Materialien werden ausgewählt und modifiziert, um den entsprechenden elektrisch-leitenden Aspekten von Kathode, Anode und Zwischenverbindung sowie dem Ionentransport und dem elektronischen Isolationsaspekt des Elektrolyten zu genügen und ferner dem Gasporositätserfordernis von Kathode und Anode und dem Gas-Nichtdurchlässigkeitserfordernis des Elektrolyten und des Zwischenverbindungsmaterials. Ähnlich ist die bauliche Integrität, die thermischen Ausdehnungs- und Zusammenziehungsverhältnisse, die Kristallintegrität des zusammengesetzten monolithischen Kerns für die speziellen Betriebsparameter, wie Temperatur, Druck, Gasströmungsgeschwindigkeiten,

Spannung und Stromdichten, ausgelegt, wie dies zur Erreichung eines optimalen Wirkungsgrads erforderlich ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Zwischenverbindungs- und die Elektrolytlagen dünn (0,002 bis 0,01 cm), während die sandwichartigen Kathoden- und Anodenschichten möglicherweise zwischen der gleichen Dicke oder sogar dem Fünffachen dieser Dicke

(0,002 bis 0,05 cm) liegen.
10

Die monolithischen Kerne und die Serienverbindungen derselben liefern eine erhöhte Leistungsdichte, möglicherweise das Fünfzigfache einer konventionellen Tragrohr-Brennstoffzelle, und zwar infolge der erhöhten aktiven Aussetzungsflächen des Brennstoffs und Oxidationsmittels, verglichen mit den entsprechenden Strömungsbahnvolumina, und ferner infolge der verminderten Strombahnlängen mit insgesamt niedrigeren internen elektrischen Widerstandsverlusten. Der monolithische Kern jedes der in Serie geschalteten Brennstoffzellensegmente eliminiert sämtliche Tragstrukturen mit Ausnahme der aktiven Materialien selbst, und die Anoden-, Kathoden-, Elektrolyt- und Zwischenverbindungs-Schichten sind recht dünn, um so das Brennstoffzellengewicht zu vermindern. Da die definierten Brennstoff- und Oxidationsmitteldurchlässe des Kerns klein sind, können die Materialschichten dünn sein und doch noch immer selbst tragend über die kleinen Abstände über die definierten Durchlässe hinweg sein. Tragstukturen der konventionellen Rohrbauart können eliminiert werden. Darüber hinaus sind dünne Schichten aus aktiven Materialien wegen der kürzeren erforderlichen Stromwege möglich. Die monolithische Kernkonstruktion minimiert die Diffusionsverluste durch die vollständige Eliminierung des dicken Tragrohrs und durch Verwendung dünner aktiver Elektroden; die Serienverbindung der Brennstoffzellensegmente ausschließlich mit den zuvor erwähn-

ten Zellenkomponenten trägt zur Gesamtzelleneffizienz bei.

Weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

An dieser Stelle sei noch auf folgende US-Patente bzw. Anmeldungen hingewiesen. Die US-Anmeldung Serial No.

541 184 vom 12. Oktober 1983 beschreibt die wiederholte und sequentielle Aufbringung von Abscheidungen von Anoden-, Kathoden-, Elektrolyt- und Zwischenverbindungsmaterialien auf sich selbst zum Aufbau der Zwischenverbindungs- und Elektrolytkern-Wände, und zwar endweise bezüglich der Wände oder in Linie mit den Strömungsdurchlässen, definiert durch die Wände. Jeder Elektrolyt und jede Zwischenverbindungswand des Kerns besteht aus Anoden- bzw. Kathodenmaterialien, geschichtet auf entgegengesetzt liegenden Seiten des Elektrolytmaterials oder auf entgegengesetzten Seiten des Zwischenverbindungsmaterials. Jede gesonderte Abscheidung jedes gesonderten Materials wird über dem gesamten Kernquerschnitt gleichzeitig ausgeführt, wodurch komplizierte Formen oder Querschnitte der Strömungsdurchlässe für Brennstoff und Oxidationsmittel hergestellt, werden können, und zwar ebenso einfach, wie dies für reguläre oder symmetrische Gesamtquerschnitte gilt. In US-PS 4 476 197 werden Mittel beschrieben, um Brennstoff und Oxidationsmittelgase zu parallel laufenden Durchlässen im Kern zu leiten. Eine Kernwand ragt über die offenen Enden der definierten Kerndurchlässe hinaus und ist annähernd mittig zwischen und parallel zu den benachbarten darüberliegenden und darunterliegenden Zwischenverbxndungwänden angeordnet, um Sammelleitung skammern zwischen an entgegengesetzten Seiten der Wand zu bilden. Jede die Strömungsdurchlässe definierende Elektrolytwand ist derart geformt, daß sie in diese Wand hineinverläuft und mit dieser verbunden ist, um die ent-

sprechenden Brennstoff- und Oxidationsmitteldurchlässe zu den entsprechenden Sammelleitungskammern umzuleiten, und zwar entweder oberhalb oder unterhalb dieser Zwischenwand. Einlaß- und Auslaßverbindungen werden jeweils zu diesen gesonderten Sammelleitungskammern hergestellt, um Brennstoff und Oxidationsmittelgase zum Kern zu leiten ,und um ihre Reaktionsprodukte vom Kern wegzuleiten.

US-PS 4 476 196 beschreibt eine monolithische Kernkonstruktion mit Strömungsdurchlässen für Brennstoff und Oxidationsmittelgase, und zwar sich quer zueinander erstreckend, wodurch eine Vollstirnflächenkern-Sainmelleitungszufuhr fiür diese Gase und ihre Reaktionsprodukte erreicht werden kann. Die Kernkonstruktion sieht vor, daß nur Anodenmaterial jeden Brennstoffdurchlaß umgibt und nur Kathodenmaterial umgibt jeden Oxidationsmitteldurchlaß, wobei jedes Anoden- und jedes Kathodenmaterial ferner sandwichartig angeordnet ist, und zwar an mit Abstand angeordneten Seiten zwischen Elektrolyt- und Zwischenverbindungs-Material. Diese zusammengesetzten Anoden- und Kathodenwandstrukturen werden ferner alternativ aufeinander gestapelt (wobei der Trennelektrolyt oder das Zwischenverbindungsmaterial typischerweise eine einzige gemeinsame Schicht sind), wodurch der Brennstoff- und Oxidationsmitteldurchlasse quer zueinander angeordnet sind.

US-Serial No. 541 176 beschreibt eine Kernkonstruktion mit sowohl parallelen als auch querverlaufenden Strömungspfaden oder -bahnen für die Brennstoff - und Oxidationsmittelgase. Jede Zwischenverbindungswand der Zelle wird als ein Flächenelement ausgebildet ; und zwar aus inertem Trag- oder Stützmaterial mit darin mit Abstand angeordneten kleinen Stopfen aus Zwischenverbindungsmaterial, wobei die Kathoden- und Anodenmaterialien als Schichten an entgegengesetzten Seiten jedes Flächenelements ausgebildet werden und elektrisch miteinander kontaktiert werden durch die Stopfen des Zwischenverbindungsmaterials. Jede

Zwischenverbindungswand in einer gewellten Form ist verbunden längs mit Abstand angeordneter im ganzen paralleler linienartiger Kontaktflächen zwischen entsprechenden mit Abstand angeordneten Paaren von im ganzen parallelen Elektrolytwänden, und zwar betätigbar zur Definition einer Reihe von im ganzen parallelen Strömungsdurchlässen für die Brennstoff- und Oxidationsmittelgase. Alternative Reihen sind derart angeordnet, daß die Durchlässe senkrecht zueinander angeordnet sind. Dies sieht eine feste oder solide mechanische Verbindung der Zwischenverbindung swän den von benachbarten Reihen mit entgegengesetzten Seiten der gemeinsamen Elektrolytwand zwischen an mit Abstand angeordneten punktartigen Kontaktflächen vor, wo die zuvor erwähnten linienartigen Kontaktflächen oder -gebiete einander kreuzen. Das inerte Tragmaterial umfaßt zwischen 2 und 98 Gew.% des gesamten Kern, und zwar variiert entsprechend dem Bedürfnis die differentielle thermische Ausdehnung der zusammengesetzten Kernwandstruktur zu minimieren.

In US-PS 4 476 198 wird ein monolithisch gebildeter Kern beschrieben, der nur aus Materialien besteht, die in den elektrochemischen Reaktionen aktiv sind. Dies bedeutet, daß die Elektrolyt- und Zwischenverbindungswände des Kerns jeweils nur aus Anoden- und Kathodenmaterialien geschichtet auf entgegengesetzt liegenden Seiten des Elektrolytmaterials gebildet würden, oder auf-aden entgegengesetzten liegenden Seiten des Zwischenverbindungsmaterials. Dies gestattet die Verwendung sehr dünner Materialschichten und sehr dünne sich daraus ergebende zusammengesetzte Kernwände. Die dünnen zusammengesetzten Kernwände können zur Definition kleiner Durchlässe geformt werden, wobei sie noch immer hinreichende strukturelle Integrität aufweisen, um dem durch den Gasfluß in den Durchlässen erzeugten Strömungsmitteldruck zu widerstehen und auch den mechanischen Beanspruchungen infolge des Gewichts der

aufeinander gestapelten Kernwände. Dies erhöht in vorteilhafter Weise die Leistungsdichte der Brennstoffzelle wegen deren verminderter Größe und Gewicht.

Im folgenden seien nunmehr Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigt:

1> Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelle mit einer Anordnung von Brennstoffzellensegmenten, wobei ein Teil der Endsammelleitungen gezeigt ist, welche das Grundkonzept der Erfindung veranschaulichen.

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der Anordnung der Brennstoffzellensegmente gemäß

Fig. 1;
Fig. 3 eine teilweise Schnittansicht der Anordnung gemäß

Fig. 2 längs Linie 3-3;

Fig. 4 eine TeilSchnittansicht der Anordnung gemäß Fig. 3 längs Linie 4-4;

Fig. 5 eine Teilschnittansicht der Anordnung gemäß

Fig. 4 längs Linie 5-5;
Fig. 6 eine Teilschnittansicht der Anordnung gemäß Fig. 5 längs Linie 6-6;
Fig. 7 eine Teilendansieht der Brennstoffzelle gemäß

Fig. 1, wobei Teile der Sammelleitungskonstruktion dargestellt sind;

Fig. 8 eine Ansicht ähnlich wie Fig. 2 eines weiteren Ausführung sbeispieIs der Erfindung; Fig. 9 eine Schnittansicht der Brennstoffzelle gemäß

Fig. 8 längs Linie 9-9;

Fig.10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Länge der Anordnung und der elektrischen Leistung für eine Anordnung der Brennstoffzellensegmente der Erfindung und

Fig.11 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen

dem Widerstandsverlust und der Länge der Strombahn in dem monolithischen Kern der Erfindung, und zwar verglichen mit einem Brennstoffkern von Westinghouse gemäß dem Stand der Technik. 5

Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzelle 20 , bestehend aus einer Anordnung 25 aus Brennstoffzellensegmenten 26, wobei das am weitesten am Ende liegende Segment mit einer Einlaßsammelleitung 21 bzw. einer AuslaßSammelleitung 22 verbunden ist. Die Einlaß- und Auslaßsammelleitungen 21, 22 sind mit Einlaßöffnungen 23 und Auslaßöffnungen 24 ausgestattet, und zwar entweder für die Reaktionsmitteleinspeisung oder das Abgas, was im folgenden noch erläutert wird. Jedes der Brennstoffzellensegmente 26 ist in Serie geschaltet mit den benachbarten Brennstoffzellensegmenten mittels einer Fläche oder eines Gebiets 27 von Zwischenverbindungsmaterial 41. Leistungsabnahmeleiter 28 stehen in elektrischer Verbindung mit Verbindungs- oder buss-Streifen 29, welche das Zwischenverbindungsmaterial 4T kontaktieren, welches sich durch die Wand 31 der Anordnung 25 an seinen am weitesten am Ende gelegenen Segmenten erstreckt. Schließlich zeigt Fig. 2 die Gesamtanordnung 25, umgeben von einer thermische Isolierung

Die Anordnung 25 gemäß den Fig. 2 bis 6 weist eine Reihe von Brennstoffzellensegipenten 26 auf, deren jedes im Querschnitt quadratisch ist und die miteinander verbunden sind, um eine Bienenwabe 35 zu bilden, und zwar unter Definition benachbarter Brennstoffdurchlässe 36 und Oxidationsmitteldurchlässe 37. Jedes der Brennstoffsegmente 26 ist allein und ausschließlich aus ebenen Wänden aufgebaut, und zwar entweder aus Anodenmaterial 38 oder aber aus planaren Wänden aus Kathodenmaterial 39, die

IQ sandwichartig dazwischen entweder Elektrolytmaterial 40 oder Zwischenverbindungsmaterial 41 anordnen. Wie bekannt, wird die tatsächliche galvanische Ausgangsgröße durch das Vorhanden-sein von Anodenmaterial 38 und Kathodenmaterial 39 geschaffen, wobei sich sandwichartig ein Elektrolytmaterial 40 angeordnet ist, wobei ferner der Brennstoff in Berührung mit den Anodenmaterialien 38 hindurchgeleitet wird und Oxidationsmittel in Berührung mit dem Kathodenmaterial 39 hindurchgäLeitet wird, wodurch die galvanische Ausgangsgröße der Brennstoffzelle 20 vorgesehen wird.

Wie man im einzelnen in Fig. 3 erkennt, weist die Bienenwabe 35 eine Vielzahl von benachbarten im Querschnitt quadratischen Brennstoffdurchlassen 36 und Oxidationsmitteldurchlassen 37 auf, und zwar definiert durch vier miteinander in Verbindung stehende planare Änodenwände 38 bzw. vier in Verbindung stehende planare Kathodenwände 39. Durch Verwendung der Ausdrücke Kathodenwände oder Anodenwände soll ausgedrückt werden, daß das die Wand bildende Material ausschließlich Kathodenmaterial oder Anodenmaterial ist. Die Bienenwabenkonfiguration 35 besteht daher ausschließlich aus Materialien, die bei der Herstellung der galvanischen Ausgangsgröße aktiv sind, und zwar mit der Ausnahme des Zwischenverbindungsmaterials 41, was im folgenden noch erläutert werden soll, welches nämlich zur Serienverbindung zwischen benachbarten Brennstoffzellsegmenten 26 dient. Der erfindungsgemäße Aufbau zeigt kein

Tragmaterial oder anderes inaktives Material, welches die Effizienz der Brennstoffzelle vermindert. Obwohl unterschiedlichste Geometrien verwendet werden können, wie beispielsweise Dreiecke oder Kreise, so ist doch das bevorzugte Ausführungsbeispiel ein Brennstoffsegment 26, welches im Querschnitt quadratisch ist, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Der Fachmann erkennt, daß jedes Brennstoffzellensegment 26 in einer bestimmten Reihe der Bienenwabe 35 parallel geschaltet ist und im wesentliehen die gleiche Spannung besitzt, da die Spannung bestimmt wird durch die Strömungsgeschwindigkeit und den Gehalt an Brennstoff und Oxidationsmittel, die längs der Anodenwände 38 und Kathodenwände 39 laufen. In der bevorzugten Bienenwabenkonstruktion 35 gibt es keinen toten Wandraum mit Ausnahme der: !Ecken jedes Brennstoffzellensegments 26, wodurch die effizienteste mögliche Geometrie geschaffen wird.

Wie in den Fig. 2 bis 6 gezeigt, ist jedes Brennstoffzellensegment 26 im Querschnitt quadratisch und ist aus vier Anodenwänden 38 und vier Kathodenwänden 39 aufgebaut, und zwar auf entgegengesetzt liegenden Seiten eines dünnen Elektrolyten 40. Jedes Brennstoffzellensegment 26 besitzt an einem Ende einen sich über den benachbarten Elektrolyten 40 erstreckenden Teil der Anodenwand, der sich über das benachbarte Kathodenmaterial 39 hinaus erstreckt, und am anderen Ende davon weist das Brennstoffzellensegment 26 Kathodenmaterial 39 auf, welches sich über das benadhbarte Elektrolytmaterial 40 hinaus erstreckt, welches sich seinerseits über das benachbarte Anodenmaterial 38 hinaus erstreckt. Die drei Schichten aus Anodenmaterial 38 und Kathodenmaterial 39 und das dazwischenliegende Elektrolytmaterial 40 sind abgestuft oder versetzt, was wichtig ist, hinsichtlich der Erzeugung der Serienverbindung, wobei aber ein Kurzschluß benachbarter Segmente 26 verhindert wird. Wie man insbesondere in Fig. 5 erkennt, umgibt das Zwischenverbindungsmaterial 41

in der Form von quadratischen Ringen jedes Segment 26 und bildet eine elektrische Verbindung zwischen dem sich nach außen erstreckenden Anodenmaterial 38 einer Zelle und dem sich nach außen erstreckenden Kathodenmaterial der benachbarten Zelle, um serienmäßig benachbarte Brennstoffzellensegmente 26 zu verbinden.

Es sei zudem bemerkt, daß das Anodenmaterial 38 benachbarter Brennstoffzellensegmente 26 getrennt ist, wie dies auch für das Kathodenmaterial 39 benachbarter Brennstoffzellensegmente 26 gilt, um den elektrischen Kurzschluß von benachbarten Brennstoffzellensegmenten zu verhindern. Die Fig. 4 bzw. 6 zeigen die Räume zwischen dem Kathodenmaterial 39 und dem Anodenmaterial 38 für benachbarte Brennstoffzellensegmente 26. Die Zwischenverbindung 41 sieht die elektrische Serienverbindung zwischen den benachbarten sich längs erstreckenden Segmenten 26 vor, wodurch die Anordnung 25 der Brennstoffzellensegmente gebildet wird, die in der Bienenwabenkonfiguration 35 gemäß den Zeichnungen aufgebaut sind.

Die Sammelleitungen 21 und 22 weisen jeweils Sammelleitung sblockiermaterial 45 wie in Fig. 7 gezeigt auf, wobei dieses Material zusammen mit den Streifen aus Sammelleitungsmaterial 46 ZwischenverbindungsStrömungspfade für das Oxidationsmittel zu den Kathodensegmenten 39 und von Brennstoff zu den Anodensegmenten 38 vorsieht_t, und zwar über die Oxidationsmittelkanäle 37 bzw. die Brennstoffkanäle 36. Man erkennt, daß das Sammelleitungsblockiermaterial 45 an den Ecken jedes Brennstoffzellensegments 26 angeordnet ist, um eine Verbindung zwischen diagonal in Beziehung stehenden Anoden 38 und diagonal in Beziehung stehenden Kathoden 39 zu schaffen, wobei das Mischen von Brennstoff und Oxidationsmittel verhindert wird. Das Sammelleitungsmaterial 45, 46 kann das gleiche sein, wie das Elektrolytmaterial 40, was im folgenden noch erläutert wird.

In den Fig. 8 und 9 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, wobei hier eine Anordnung 55 aus individuellen Brennstoffzellensegmenten 56 Leistungsabnahmeleiter 58 aufweist, die mit Buss-Streifen 59 verbunden sind, welche das Zwischenverbindungsmaterial 71 kontaktieren, das sich durch die Wand 61 der Anordnung erstreckt, und zwar an den am weitesten zum Ende hin gelegenen Segmenten 56. Wie oben erwähnt, ist die thermische Isolierung 60 vorgesehen. Die Segmente 56 sind in Bienenwabenkonfiguration 65 angeordnet, und zwar in genau dergleichen Weise, wie dies durch die Bienenwabe 35 geschieht, wobei benachbarte Brennstoffdurchlässe 66 bzw. Oxidationsmitteldurchlässe 67 geschaffen werden, und zwar durch Anodenwände 68 und Kathodenwände 69. Das Anodenmaterial 68 ist vom Kathodenmaterial 69 durch das Elektrolytmaterial 70 getrennt, wie dies zuvor beschrieben wurde und die elektrische Serienverbindung zwischen benachbarten Kathoden und Anoden wird mittels des Zwischenverbindungsmaterials 71 erreicht.

Der Unterschied zwischen den BrennstoffSegmenten 26 und 56 liegt in der Konstruktion oder dem Aufbau des ZwischenverbindungsmateriaJs 71, welches nicht durch benachbartes Anödenmaterial 68 und Kathodenmaterial 69 überlappt wird, sondern zwischen den Endoberflächen des Anodenmaterials 68 und Kathodenmaterials 69 benachbarter Segmente 56 liegt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 8 und 9 ist das Zwischenverbindungsmaterial 71 dicker als das Zwischenverbindungsmaterial 41 und stößt nur an die Endoberflächen des Anodenmaterials 68 und des Kathodenmaterials 69 an, wohingegen in Fig. 2 das Zwischenverbindungsmaterial 41 zwischen den überlappenden Teilen von benachbartem Anodenmaterial 38 und Kathodenmaterial 39 liegt. Auch sind bei den Brennstoffzellensegmenten 56 die Endoberflächen des Elektrolyten 70 gleicherstreckend mit den Endoberflächen an einem Ende des Anodenmaterials 68 und am anderen Ende mit dem Kathodenma-

terial 69, wobei die erforderliche elektrische Isolierung vorgesehen wird zwischen den Kathodenmaterialien benachbarter Segmente 56 und zwischen den Anodenmaterialien benachbarter Brennstoffzellensegmente 56. In allen anderen Beziehungen stimmen die Brennstoffzellensegmente 56 und die Brennstoffzellensegmente 26 überein.

Es sei nunmehr auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen, wo jede Wand der Bienenwabe 35 aus Anodenmaterial 38, Kathodenmaterial 39 und Zwischenelektrolyt 40 besteht, wodurch Durchlässe 36 für den Brennstoff und Durchlässe 37 für das Oxidationsmittel auf entgegengesetzten Seiten jeder Zelle durch die Drei-Schichtkonfiguration gebildet werden. Gasförmiger Brennstoff würde von einer nicht gezeigten Quelle zu einer der Sammelleitungen 21, 22 transportiert, und zwar für eine Strömung durch die Durchlässe 36 zu der AuslaßSammelleitung am anderen Ende der Anordnung 25. In gleicher Weise würde Oxidationsmittel von einer Quelle zur anderen Sammelleitung gebracht, wenn Gegenströmung vorgesehen ist, oder aber die Zuführung erfolgt zum anderen Ende der gleichen Sammelleitung, wenn der Brennstoff in der gleichen Richtung strömen soll. Der mit erforderlichen Reinheiten und Strömungsgeschwindigkeiten in die Bienenwabe 35 eintretende Brennstoff und Oxidationsmittel würden dann elektrochemisch über die Wände hinweg reagieren, die durch die drei oben erwähnten geschichteten Materialien gebildet werden, d. h. die Wände, die gebildet werden durch eine Kombination aus dem Anodenmaterial 38, dem Kathodenmaterial 39 und dem dazwischenangeordneten Elektrolyt 40. Nicht verbrauchter Brennstoff und Oxidati

tionsmittel in der Bienenwabe", vereinigt mit Reaktionsmitteln, kombiniert durch Verbrennung innerhalb der Auslaßsammelleitung 21, 22 werden darauffolgend mit den anderen Reaktionsprodukten von der Brennstoffzelle 20 abgegeben.

Es kann zweckmäßig sein, eine geringe Verminderung der Querschnittsfläche des Abgabeendes der Brennstoffzellen-

durchlässe 36 vorzusehen, so daß nicht verbrauchter Brennstoff von den Brennstoffdurchlässen in die Auslaßsammelleitungen 21, 22 eingestrahlt wird, wodurch seine Reaktion mit dem Oxidationsmittel darin in der Tat durch Flammenstrahlen auftreten würde. Diese eingeschränkte Brennstoffauslaßfläche würde auch die Möglichkeit der Oxidationsmittelrückströmung in die Brennstoffdurchlaß*- bahnen 36 von den AuslaßSammelleitungen 21, 22 minimieren, was dann die direkte Brennstoff-Oxidationsmittelreaktion innerhalb der Anodendurchlässe induzieren würde. Im allgemeinen ist die Druckdifferenz zwischen den Brennstoff- und Reaktionsprodukten in der Sammelleitung 21, 22 recht niedrig und die Geschwindigkeit der Gase innerhalb oder durch die Durchlässe 36, 37 ist ebenfalls recht niedrig.

Es sei bemerkt, daß dort, wo Anodenmaterial 38 und Kathodenmaterial 39 auf entgegengesetzten Seiten des Elektrolyts 40 liegen, eine Brennstoffzelle gebildet wird, die elektrochemisch den gelieferten Brennstoff und das Oxidationsmittel in den Durchlässen 36 bzw. 37 kombiniert, um ein elektrisches Potential am Elektrolyten 40 zu erzeugen.

Das Anodenmaterial 38 und das Kathodenmaterial 39 sind in einem Ausmaß porös, wie dies erforderlich ist, um die elektrochemische Kombination der Brennstoff- und Oxidationsmittelgase, beschränkt auf entgegengesetzte Seiten zu gestatten, während der Elektrolyt 40 und das Zwischenverbindungsmaterial 41 undurchdringlich sind, um Isolation der Brennstoff/Oxidationsmittelgase vollständig voneinander vorzusehen. In gleicher Weise ist das Elektrolytmaterial 40 elektrisch nicht leitend zwischen dem Anodenmaterial 38 und dem Kathodenmaterial 39, gebildet auf entgegengesetzt liegenden Seiten davon, aber das Elektrolytmaterial 40 sieht eine ionische Leitfähigkeit vor; darüber hinaus sind sowohl Anodenmaterial 38 wie auch Kathodenmaterial 39 elektrisch-leitend. Andererseits verbindet das Zwischenverbindungsmaterial 41 elektrisch benachbare Brenn-

stoffzellensegmente 26 durch Verbindung des Anodenmaterials 38 eines Segments mit dem Kathodenmaterial 39 des benachbarten Segments.

Bei einer in der Praxis verwendeten Brennstoffzelle 20 der hier gezeigten Bauart werden viele serienmäßig verbundene Brennstoffzellensegmente 26 vorgesehen, möglicherweise bis zu 50 sich in Längsrichtung erstreckende serienmäßig verbundene Segmente. Die äußersten Segmente 26 der Anordnung 25 sind elektrisch über Leistungsabnahmeleiter mit den weitesten am Ende liegenden Segmenten 26 mittels Buss- oder Verbindungsstangen 29 oder durch andere elektrisch geeignete Verbindungen verbunden. Die Leiter 28 können mit den am weitesten am Ende liegenden Segmenten durch Zwischenverbindungsmaterial 41 oder durch anderes geeignetes Material verbunden sein, welches entweder integral mit der Brennstoffzelle 20 sein kann oder in elektrischer Verbindung darum herumgewickelt sein kann. Auf dem Gebiet der Festoxidbrennstoffzellentechnik ist es bevorzugt, die Leiter 28 in einer BrennstoffUmgebung und nicht in einer oxidierenden Umgebung anzuordnen, so daß es zweckmäßig sein kann, eine kleine Brennstoffmenge über die Leiter 28 zu leiten, um die Oxidation derselben zu minimieren. In der beschriebenen Bienenwabe 35 haben die Brennstoffzellensegmente 26 ziemlich kurze Wandspannen, um die Durchlässe 36 und 37 mit relativ kleinen Querschnittsflächen vorzusehen, und zwar in der Größenordnung von mehreren Quadratmillimetern. Wegen der kleinen Wandspannweiten werden die dünnen geschieh-teten Materialien, die jeweils nur insgesamt Bruchteile eines Millimeters dick sind, in struktureller Weise ausreichen, um das Gewicht der Segmente 26 und jedwedes Gas und/oder Reaktionsdrucklasten auszuhalten.

Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelle sieht eine Brennstoff- und Oxidationsmittel-Durchlaßum-

Schließung vor, die ein sehr effektives Verhältnis aus der Fläche des Elektrolytwandmaterials 40 zum Zwischenverbindungsmaterial 41 aufweist, um so eine hohe Stromdichte zu erzeugen, und auch eine hohe Spannung infolge der Serienverbindung der Segmente 26. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die benachbarten Brennstoffdurchlässe 36 und Oxidationsmitteldurchlässe 37 zueinander parallel, während die Wände, die die Durchlässe bilden,planar sind und eine Vielzahl von Quadraten im Querschnitt bilden. Die Länge jedes Brennstoffzellensegments 26 kann im Bereich von ungefähr 0,1 cm bis ungefähr 5 cm liegen, obwohl hingegen die Breite jedes Segments oder die Wandlänge jedes Segments, die ein Quadrat bildet, in der gleichen Größenordnung liegt, d.h.

im Bereich zwischen ungefähr 0,1 cm bis ungefähr 5 cm. Die Breite der gesamten Bienenwabe 35 und auch die Höhe können irgendwo im Bereich von ungefähr 5 cm bis ungefähr 70 cm liegen und die Anzahl der längsverbundenen Segmente 26 kann im Bereich von ungefähr 2 bis ungefähr 50 Segmente liegen. Das Verfahren zur Herstellung der Bienenwabenstruktur 35 und auch der Sammelleitungen 21, ist in den oben genannten Patenten erläutert, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.

Typischerweise kann der Elektrolyt 40 eine Dicke im Bereich zwischen 0,002 und 0,01 cm aufweisen und vorzugsweise im Bereich zwischen 0,002 und 0,005 cm dick sein. Die Anode und Kathode können eine Dicke im Bereich von ungefähr 0,002 und 0,05 cm aufweisen und sie besitzen vorzugsweise eine Dicke im Bereich von ungefähr 0,005 bis ungefähr 0,02 cm. Demgemäß liegt die zusammengesetzte Wand aus Anodenmaterial 38, Kathodenmaterial 39 und Elektrolytmaterial im Bereich von ungefähr 0,006 bis 0,11 cm hinsichtlich Dicke und vorzugsweise im Bereich von ungefähr 0,012 bis ungefähr 0,045 cm Dicke. Das Zwischenverbindungsmaterial 41 hat eine entsprechende

Dicke zum Elektrolytmaterial 40 und demgemäß hatte die Kombination aus Anodenmaterial 38 , Kathodenmaterial 39 und Zwischenverbindungsmaterial 41 die gleiche Dicke, wie dies zuvor unter Bezugnahme auf die Kombination aus Anoden, Kathoden und Elektrolytmaterial beschrieben wurde.

Eine typische Kathode besteht aus Lanthanmanganit (LaMnO₃). Der Elektrolyt kann aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconoxid (ZrO₂ ⁺Y₂O₃) k^{estenen und die} Anode bestünde dann aus einem Cobaltyttriumoxid stabilisierten Zirconoxidcermet oder einer solchen Mischung (Co+Zr0₂Y₂0₃)· Das Zwischenverbindungsmaterial 41 könnte beispielsweise aus Lanthanchromit (LaCrO-) bestehen, wobei das Lanthanmanganit (LaMnO₃) und das Lanthanchromit (LaCrO₃) in geeigneter Weise dotiert sind, um elektrische Leitfähigkeit zu erhalten, was auf diesem Gebiet bekannt ist.

Der Vorteil von serienmäßig geschalteten Leistungszellen ist in Fig. 10 dargestellt, wobei hier die Beziehung zwischen der Leistung der Zelle und der Länge der in Serie geschalteten Segmente zu erkennen ist. Ein etwa 6%iger Anstieg der elektrischen Leistung ist dann verfügbar, wenn die einzelnen Segmente elektrisch in Serie geschaltet werden, und zwar längs der Reaktionsströmungspfade im Gegensatz zur Konfigurationen, wo gleiche Potential verb indungen vorgesehen sind. Dieser Gewinn ergibt sich aus dem elektrischen Potentialgradienten,der durch die Reaktionsmittelverarmung längs der monolithischen Kernlänge auftritt.

Ein Hauptvorteil der Erfindung hinsichtlich der bekannten seriengeschalteten Zelle gemäß dem Jahresbericht der Westinghouse Electric Corporation für 1980 bis 1981 besteht darin, daß Kurzschlußpfade in den Elektroden vorgesehen sind, wodurch Widerstandsverluste in der Elektrode

vermindert werden, die die Hauptverluste einer Zelle dieser Bauart sind.

Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen dem elektrischen Potential und den verminderten Widerstandsverlust infolge der kürzeren Pfadlängen des monolithischen Kerns der Erfindung, und zwar verglichen mit der Westinghouse-Konstruktion bei rohrförmigen oder taschenlampenbatterieartigen Festoxidbrennstoffzellen-Konstruktionen. Wie man aus Fig. 11 erkennt, ist der Widerstandsverlust der erfindungsgemäßen Zelle beträchtlich kleiner als der Verlust bei der rohrförmigen Westinghouse-Zelle.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können die Leistungsabnahmeleiter 28 direkt mit den am weitesten am Eiide liegenden Segmente 26 in der Anordnung 25 mittels eines Zwischenverbindungsmaterials 41 verbunden werden, wodurch die Erfordernisse für Buss- oder Sammelstangen 29 eliminiert werden, was die Strompfade und den elektrischen Widerstand der Zelle 20 beträchtlich vermindert. Die gesamte Struktur der Zelle 20 einschließlich der Konstruktion der Bienenwabe 35 und auch die Verwendung von Zwischenverbindungsmaterial 41 zur Erzeugung der Serienverbindung zwischen benachbarten Segmenten 26 liefert eine kompaktere Zelle 20, als dies bisher möglich war, was die Erzeugung wesentlich größerer Spannungen gestattet.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:

Eine Festoxidbrennstoffzelle zur elektrochemischen Vereinigung von Brennstoff und Oxidationsmittel zur Erzeugung einer galvanischen Ausgangsgröße, wobei der Zellkern eine Anordnung von Zellensegmenten aufweist, die elektrisch in Serie geschaltet sind, und zwar in Strömungsrichtung. Jedes Segment besteht aus Elektrolytwänden und Zwischenverbindungsmitteln, wobei die Wände im wesentlichen zur Hai-

terung keine zusammengesetzten inerten Materialien aufweisen. Stattdessen ist der Kern monolithisch, wobei jede Elektrolytwand aus dünnen Schichten aus Kathoden- und Anodenmaterialien besteht, die sandwichartig dazwischen eine dünne Schicht aus Elektrolytmaterial aufweisen. Mittel leiten den Brennstoff zu anodenfreiliegenden Kerndurchlässen und Mittel leiten Oxidationsmittel zu den kathodenfreiliegenden Kerndurchlässen. Ferner leiten Mittel die galvanische Ausgangsgröße zu einer Außenschaltung. Jede Schicht aus den Elektrolytzusammensetzungsmaterialien ist in der Größenordnung von 0,002 bis 0,01 cm dick . Jede Schicht aus den Kathoden- und Anodenmaterialien ist in der Größenordnung von 0,002 bis 0,05 cm dick. Zwischen 2 und 50 Zellensegmente können in Serie geschaltet werden.

- Leerseite -

Claims (20)

Q c 1 C1 ο η ο .:.'. " - R--3407 Serienmäßig verbundene Festoxidbrennstoffzellen mit monolithischen Kernen Patentansprüche

1. Brennstoffzelle zur elektrochemischen Kombination von Brennstoff und Oxidationsmittel zur Erzeugung einer galvanischen Ausgangsgröße, wobei folgendes vorgesehen ist:

eine Anordnung aus längsangeordneten Brennstoffzellensegmenten in einer Serienverbindung, wobei jedes Brennstoffzellensegment im wesentlichen aus dünnen Schichten aus Kathodenmaterial bzw. Anodenmaterial besteht, die sandwichartig eine dünne Schicht aus Elektrolytmaterial besitzen, und zwar aufgebaut zur Definition einer Vielzahl von Brennstoff- und Oxidationsmitteldurchlässen, wobei die Innenflächen davon nur aus Anodenmaterial oder nur aus Kathodenmaterial bestehen, und wobei ferner Zwischenverbindungsmaterial die elektrische Serienverbindung zwischen den Kathoden und Anoden der in Längsrichtung benachbarten Brennstoffzellensegmente vorsieht, wobei schließlich Mittel das Brennstoff- und Oxidationsmittel durch die entsprechenden Durchlässe leitet, und wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um die galvanische Ausgangsgröße von den Anoden- und Kathodenmaterialien zu einer äußeren Schaltung zu leiten.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Kathoden* material Lanthanmanganit (LaMnO-) ist, und wobei das Anodenmaterial Cobaltyttrium-stabilisiertes Zirconoxidcermet ist oder eine Mischung davon (00+ZrO₂Y₂O₃), und wobei das Elektrolytmaterial Yttriumoxid-stabilisiertes Zirconoxid ist (ZrO₃^Y₂O₃), und wobei schließlich das Zwischenverbindungsmaterial Lanthanchromit (LaCrO-) ist, wobei das Lanthanmanganit und das Lanthanchromit in geeigneter Weise zum Erhalt elektrischer Leitfähigkeit dotiert sind.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenverbindungsmaterial zwischen dem Anodenmaterial und dem Kathodenmaterial benachbarter Brennstoffzellensegmente angeordnet ist.

4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Durchlässe definierenden Wände im ganzen planar (eben) sind und eine Vielzahl von Quadraten im Querschnitt bilden.

5. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode Lanthanmanganit (LaMnO₃) ist, daß die Anode aus Cobaltyttriumoxid stabilisiertem Zirconoxidcermet oder einer Mischung (00+ZrO₃Y₂O₃) besteht und daß der Elektrolyt Yttriumoxid-stabilisiertes Zirconoxid (ZrO₂ ⁺Y₉O₃) ist, und daß die Zwischenverbindung Lanthanchromit (LaCrO^) ist, wobei das Lanthanmanganit und das Lanthanchromit in geeigneter Weise dotiert sind, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhalten.

6. Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Leitung der galvanischen Ausgangsgröße von den Anoden- und Kathodenmaterialien zur externen Schaltung elektrisch-leitendes Material

aufweisen, und zwar uro das äußerste Segment an jedem Ende der Anordnung herum.

7. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnnet, daß jede Schicht aus den Elektrolyt- und Zwischenverb indungs -Material ien in der Größenordnung von 0,002 bis 0,01 cm dick ist, und daß jede Schicht der Kathoden- und Anodenmaterialien in der Größenordnung von 0,002 bis 0,05 cm Dicke liegt.

8. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede den Brennstoff- oder Oxidationsmittel-Durchlaß bildende Wand in der Größenordnung von 0,006 bis 0,11 cm Dicke liegt.

9. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich— net, daß jedes Segment eine LängserStreckung im Bereich von ungefähr 0,1 cm bis ungefähr 5 cm aufweist.

10. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen 2 und ungefähr 50 Segmente in der Anordnung vorgesehen sind.

11. Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Segmente in der Anordnung im Bereich von ungefähr 2 bis 10 liegt.

12. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Segment im Querschnitt quadratisch ist, und zwar bezüglich der Richtung des Brenstoff- oder Oxidationsmittelflusses, und ferner mit einer Seitenlänge im Bereich von ungefähr 5 cm bis ungefähr 70 cm.

13. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine thermische Isolation die Anordnung umgibt.

14. Brennstoffzellensegment zur elektrochemischen Vereinigung von Brennstoff und Oxidationsmittel zur Erzeugung einer galvanischen Ausgangsgröße, wobei folgendes vorgesehen ist: eine Bienenwabe, bestehend im wesentlichen aus Kathodenmaterial bzw. Anodenmaterial, wobei eine dünne Schicht aus Elektrolytmaterial sandwichartig dazwischen angeordnet ist, um eine Vielzahl von Brennstoff-und Oxidationsmitteldurchlässen zu bilden, wobei die Innenstirnflächen derselben entweder nur aus Anodenmaterial oder nur aus Kathodenmaterial bestehen, wobei jeder der Durchlässe an einem Ende das Kathodenmaterial sich über das Anodenmaterial erstreckend aufweist, und wobei sich das Anodenmaterial am anderen Ende davon über das Kathodenmaterial hinaus erstreckt.

15. Brennstoffzellensegment nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenmaterial Lantanmanganit (LaMnO-) ist, daß das Anodenmaterial ein Cobaltyttriumoxid-stabilisierter Zirconoxidcermet oder eine solche Mischung ist (00+ZrO₂Y₂O₃) ^unc^ ^^a^ ^^as elektrolytische Material Yttriumoxid-stabilisiertes Zirconoxid (ZrO₂ ⁺Y₃O₃) ^^st' ^unc^ ^aß ^as Zwischenverbindungsmaterial Lanthanchromit (LaCrO₃) ist, wobei das Lanthanmanganit und das Lanthanchromit in geeigneter Weise zum Erhalt elektrischer Leitfähigkeit dotiert sind.

16. Brennstoffzellensegment nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Dicke der dünnen Schicht des Elektrolyts im Bereich von ungefähr 0,002 cm bis ungefähr 0,01 cm liegt.

17. Brennstoffzellensegment nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Dicke der dünnen Schicht aus Anodenmaterial oder Kathodenmaterial im Bereich von

ungefähr 0,002 bis ungefähr 0,05 cm liegt.

18. Brennstoffzellensegment nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge desselben im Bereich von

c ungefähr 0,1 bis ungefähr 5 cm liegt.

19. Brennstoffzellensegment nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge, in der sich die Anodenoder Kathodenmaterialien übereinander hinaus erstrecken im Bereich von ungefähr 0,0o2 bis ungefähr 0,01 cm liegt.

20. Brennstoffzellensegment nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenverbindungsmaterial in elektrischer Verbindung steht mit dem sich nach außen erstreckenden Anoden- oder Kathodenmaterial.