DE4009138A1

DE4009138A1 - Festelektrolyt-hochtemperatur- brennstoffzellenmodul

Info

Publication number: DE4009138A1
Application number: DE4009138A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Ing Greiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-10-26
Filing date: 1990-03-21
Publication date: 1991-09-26
Also published as: EP0425939A1; ES2048931T3; EP0425939B1; DE59004321D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Festelektrolyt-Hochtempe ratur-Brennstoffzellenmodul mit mehreren in Serie geschalteten, planen, fest aufeinanderliegenden Festelektrolyt-Hochtempera tur-Brennstoffzellen, wobei zwischen unmittelbar benachbarten, in Serie geschalteten Zellen je eine, die Kathode der einen Zelle mit der Anode der dieser benachbarten Zelle elektrisch leitend verbindende, die Gasverteilung mittels beidseitig ein gelassener offener Kanäle sicherstellende und ein tragendes Strukturelement darstellende bipolare Platte eingebaut ist, welche im Randbereich Durchbrüche, die entweder mit den Kanälen der einen Seite oder den Kanälen der anderen Seite der bipola ren Platte kommunizieren, enthält und wobei zwischen einander benachbarten bipolaren Platten je ein Festelektrolyt-Element eingelegt ist, welches auf der einen Seite mit Kathodenmaterial und auf der anderen Seite mit Anodenmaterial beschichtet ist, an den Rändern mittels separater Dichtflächen gasdicht an den bipolaren Platten anliegt und im Randbereich eigene mit den Durchbrüchen der bipolaren Platte deckungsgleiche Durchbrüche aufweist, im wesentlichen nach Patentanmeldung P 39 35 722.8.

Solche Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodule eignen sich infolge der relativ hohen Betriebstemperaturen - sie liegen im Bereich von 800 bis 1100°C - im Gegensatz zu Niedertemperatur-Brennstoffzellen dazu, außer Wasserstoffgas auch Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel Erdgas oder flüssig speicherbares Propan umzusetzen. Wird Kohlendioxid oder Wasser dampf zum Brennstoff zugesetzt, so kann bei den hohen Tempe raturen infolge der Konvertierung des Brennstoffes jede Ruß bildung vermieden werden. Mit Festelektrolyt-Hochtemperatur- Brennstoffzellen sind hohe Leistungsdichten erreichbar, die größenordnungsmäßig im Bereich von mehreren 100 mW pro cm² liegen. Die einzelnen Hochtemperatur-Brennstoffzellen erzeu gen eine Leerlaufspannung von etwas über 1 V. Höhere Spannun gen erfordern die Serienschaltung mehrerer Einzelzellen. Wei tere Einzelheiten zum Stand der Technik sind in dem "Fuel cell handbook" von Appleby und Foulkes, New York, 1989, zu entnehmen.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Festelektrolyt-Plat ten bei solchen Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellen aus Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid zu fertigen. Der beson deren Eignung dieses Materials für den genannten Zweck steht seine Sprödigkeit gegenüber. So führen Unterschiede im thermi schen Ausdehnungskoeffizient zwischen dem Festelektrolyt aus Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid und der anliegenden metalli schen Fensterfolie bzw. anliegenden metallischen bipolaren Platte häufig zu Rissen und Brüchen in der Festelektrolyt-Plat te. Man hat bereits versucht, diesem Umstand durch Verwendung von plastischen Lotschichten Rechnung zu tragen. Diese Maßnahme konnte die bestehenden Schwierigkeiten zwar mildern, jedoch nicht beheben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, wie das Reißen und Brechen der Festelektrolyt-Platte im Betrieb verhindert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen 2 bis 5 zu entnehmen.

Dadurch daß für die bipolare Platte eine metallische Legierung verwendet wird, dessen Ausdehnungskoeffizient gleich demjenigen der Festelektrolyt-Platte ist, werden bei an der bipolaren Plat te unmittelbar anliegender Festelektrolyt-Platten beim Aufhei zen bzw. Abkühlen mechanische Spannungen von der Festelektrolyt- Platte ferngehalten.

Dadurch daß für die Fensterfolie eine metallische Legierung verwendet wird, dessen Ausdehnungskoeffizient gleich demjeni gen der Festelektrolyt-Platte ist, werden bei an der Festelek trolyt-Platte unmittelbar anliegender Fensterfolie bei Änderun gen der Temperatur mechanische Spannungen von der Festelektro lyt-Platte ferngehalten.

In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann als metallische Legierung eine Chrom-Nickel-Legierung mit 5 bis 15 Gew.-% Nickel verwendet werden. Eine solche Legierung hat nahezu den gleichen Ausdehnungskoeffizient wie eine Yttrium stabilisierte Zirkonoxid-Festelektrolyt-Platte.

In Weiterbildung der Erfindung haben sich der Chrom-Nickel-Le gierung in Spuren beigemischte seltene Erdenmetalle als beson ders geeignet für die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit bei den vorherrschenden Betriebsbedingungen erwiesen.

In einer anderen besonders vorteilhaften Weiterbildung der Er findung kann als metallische Legierung eine Eisen-Chrom-Alumi nium-Legierung, wie zum Beispiel MA 956 mit Gehalten von 5 bis 15 Gew.-% Molybdän und/oder 5 bis 15 Gew.-% Wolfram, verwendet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand zweier in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht eines nach dem Kreuzstrom prinzip aufgebauten Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brenn stoffzellenmoduls,

Fig. 2 eine Aufsicht auf eine bipolare Platte des Brennstoff zellenmoduls der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 2,

Fig. 4 eine Aufsicht auf ein Festelektrolyt-Element des Brenn stoffzellenmoduls der Fig. 1,

Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 eine Aufsicht auf eine Fensterfolie des Brennstoffzellen moduls der Fig. 1,

Fig. 7 eine schaubildliche Ansicht eines nach dem Parallelstrom prinzip aufgebauten Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brenn stoffzellenmoduls,

Fig. 8 eine Aufsicht auf eine bipolare Platte des Brennstoffzel lenmoduls der Fig. 7,

Fig. 9 einen Querschnitt längs der Linie IX-IX der Fig. 8,

Fig. 10 eine Aufsicht auf ein Festelektrolyt-Element des Brenn stoffzellenmoduls der Fig. 7,

Fig. 11 einen Querschnitt längs der Linie XI-XI der Fig. 10 und

Fig. 12 eine Fensterfolie des Brennstoffzellenmoduls der Fig. 7.

Anhand der schaubildlichen Ansicht der Fig. 1 erkennt man, daß das Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul aus ei ner Vielzahl von rechteckigen, im Ausführungsbeispiel quadrati schen, plattenförmigen Elementen besteht, die aufeinandergesta pelt sind und deren oberste und unterste Platte - eine sogenannte bipolare Deckplatte 2, 3 - im Randbereich acht kreisrunde Durch gangslöcher 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 zur Einspeisung von Brennstoff bzw. Brenngas und Luft bzw. Sauerstoff trägt. In dem in der Fig. 1 dargestellten Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzel lenmoduls 1 liegen unter der oberen bipolaren Deckplatte 2 der Reihenfolge nach eine in der Fig. 6 dargestellte Fensterfolie, ein in den Fig. 4 und 5 dargestelltes Festelektrolyt-Ele ment, eine weitere Fensterfolie, eine in den Fig. 2 und 3 dargestellte bipolare Platte, eine weitere Fensterfolie, ein weiteres Festelektrolyt-Element, eine weitere Fensterfolie, eine weitere bipolare Platte usw. aufeinander. Dabei bilden jeweils ein zwischen zwei benachbarten bipolaren Platten lie gendes Festelektrolyt-Element einschließlich der beidseitig am Festelektrolyt-Element unmittelbar anliegenden Fensterfolien und der an den Fensterfolien anliegenden Seiten jeder der beiden bipolaren Platten zusammen eine Festelektrolyt-Hochtem peratur-Brennstoffzelle.

Die Fig. 2 zeigt in einer Aufsicht den Aufbau einer nach dem Kreuzstromprinzip aufgebauten bipolaren Platte 12. Diese ist einteilig ausgeführt und besteht aus einem elektrisch gut lei tendem metallischem Werkstoff. Dieser kann eine Eisen-Chrom- Aluminium-Legierung (wie z. B. MA 956) mit Gehalten von 5 bis 15 Gew.-% Molybdän und/oder 5 bis 15 Gew.-% Wolfram oder eine Chrom-Nickel-Legierung mit einem Nickelgehalt von 5 bis 15 Gew.-% Nickel und Seltenen Erdenmetallen als Spurenelemente, sein. Die bipolare Platte 12 enthält auf jeder ihrer beiden Seiten zwei zueinander parallele, mit Ausnahme eines Randbereichs nahezu die gesamte Fläche der bipolaren Platte überdeckende Rillenfel der 14, 15, 16, 17 mit unmittelbar aneinanderliegenden paralle len Rillen. Diese münden an ihren beiden Enden in je einen schlitzförmigen Durchbruch 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 im Randbereich der bipolaren Platte 12. Auch die andere Seite der bipolaren Platte ist genauso aufgebaut wie die abgebildete Sei te mit dem einzigen Unterschied, daß dort die Rillenfelder 16, 17 um 90° gegenüber den Rillenfeldern 14, 15 auf der abgebilde ten Seite verdreht sind und daher in den seitlich der Rillenfel der 14, 15 befindlichen schlitzförmigen Durchbrüchen 22, 24, 23, 25 münden. Dies wird auch aus der Schnittdarstellung in der Fig. 3 deutlich, bei der auf der Oberseite eine Rille in Längs richtung geschnitten ist und auf der Unterseite die Rillen der beiden Rillenfelder 16, 17 in Querrichtung geschnitten sind.

Nur die beiden als obere und untere Deckplatte des Festelektro lyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls 1 dienenden bipolaren Platten 2, 3 tragen auf ihren jeweiligen Außenseiten keine Ril len. Auch sind bei ihnen die schlitzförmigen Durchbrüche nicht durchgefräst, sondern nur auf der Seite mit den Rillen bis zur Tiefe der Rillen eingesenkt. Im Bereich dieser schlitzförmigen Einsenkungen ist im Ausführungsbeispiel nur je ein Durchgangs loch 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 vorgesehen, über das von außen die jeweiligen Leitungen (nicht dargestellt) für den Brennstoff bzw. den Sauerstoffträger anschließbar sind.

Die Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf ein Festelektrolyt-Element 26 des in der Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellenmoduls 1. Man erkennt aus dieser Aufsicht und aus dem in der Fig. 5 gezeigten Schnitt, daß dieses vier rechteckige Festelektrolytplatten 28, sowie beidseitig auf diesen Festelektrolyt-Platten aufgebrachte Elektroden 30, 31, 32, 33, 34, 35 enthält. Dabei sind die Elek troden auf der einen Seite als Kathode und auf der gegenüberlie genden Seite als Anode ausgebildet. Die Kathoden bestehen im Ausführungsbeispiel aus einer L_xSr_vMnO₃ -Keramik. Die Anoden be stehen im Ausführungsbeispiel aus einer Nickeloxid- bzw. Nickel- Zirkonoxid-Cermet. Im Ausführungsbeispiel bestehen die Festelek trolytplatten 28 aus Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid. Die mit dem Kathoden- und Anodenmaterial beschichteten Festelektrolyt- Platten 28 eines jeden Festelektrolyt-Elementes sind in einem elektrisch isolierenden Rahmen 36 - im Ausführungsbei spiel aus Zirkonoxid - eingelegt, welcher mit den schlitzförmi gen Durchbrüchen der bipolaren Platte 12 deckungsgleich ange ordnete schlitzförmige Durchbrüche 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 trägt. Dieser Rahmen wird beidseitig mit einem über der Be triebstemperatur schmelzenden Lot 50 auf die anliegenden Fen sterfolien flächig aufgelötet. Sieht man einmal von dem unter schiedlichen Kathoden- und Anodenmaterial ab, so ist der geo metrische Aufbau des Festelektrolyt-Elements auf seinen beiden Seiten identisch. Im Ausführungsbeispiel ist der Rahmen 36 nicht einstückig, sondern aus vier Dichtleisten 46, 47, 48, 49 aufgebaut. Der Rahmen besteht aus Zirkonoxid, das hinreichend temperaturfest und gasdicht ist und dessen elektrische Leitfä higkeit sehr gering ist.

Die Fig. 6 zeigt eine Aufsicht auf eine Fensterfolie 52 des in der Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellenmoduls 1. Die Fenster folie besteht im Ausführungsbeispiel aus dem gleichen Material wie die bipolare Platte 12. Sie hat die gleichen äußeren Ab messungen wie die bipolare Platte und trägt an ihren Rändern schlitzförmige Durchbrüche 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, die mit den schlitzförmigen Durchbrüchen der bipolaren Platte deckungsgleich angeordnet sind. Außerdem hat die Fensterfolie 52 vier Fensteröffnungen 62, 63, 64, 65, die in ihrer Lage so an geordnet sind, daß sie bei Auflage auf der bipolaren Platte über den Rillenfeldern 14, 15, 16, 17 zum Liegen kommen. Die Fensterdurchbrüche können wie beim linken unteren Fenster 63 ohne jeden Steg oder wie bei den anderen Fenstern 62, 64, 65 mit mehreren deckungsgleich zu den Rändern der Rillen 14, 15 der bipolaren Platte 12 verlaufenden Stegen 68 ausgeführt sein. Diese Stege 68 haben die Funktion, die Elektroden 30, 31, 32, 33, 34, 35 des Festelektrolyt-Elements 36 abzustützen und den Strom abzuführen.

Beim Betrieb des Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellen moduls 1 wird der Brennstoff durch die an einer Seite des Sta pels in den beiden bipolaren Deckplatten 2, 3 eingebrachten Durch gangslöcher 8, 9 eingespeist. Er strömt dann in die mit diesen Durchgangslöchern kommunizierenden schlitzförmigen Durchbrüche der beiden bipolaren Deckplatten und die deckungsgleich angeord neten schlitzförmigen Durchbrüche in den darunterliegenden Fen sterfolien, Festelektrolyt-Elementen und bipolaren Platten durch den ganzen Stapel hindurch und durch die mit diesen schlitzför migen Durchbrüchen in den einzelnen bipolaren Platten kommuni zierenden Rillen der einzelnen Rillenfelder 14, 15 zu den schlitz förmigen Durchbrüchen 19, 21 auf der gegenüberliegenden Seite des Stapels und von dort wieder durch die Bohrungen 4, 5 in den beiden Deckplatten 2, 3 des Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brenn stoffzellenmoduls 1 wieder heraus. In gleicher Weise strömt der Sauerstoff, bzw. im Ausführungsbeispiel die Luft, durch die auf einer den Brennstoffzuführungen benachbarten Seite in den bei den bipolaren Deckplatten 2, 3 eingelassenen Bohrungen 6, 7 und die mit diesen kommunizierenden schlitzförmigen Durchbrüchen 22, 24 der beiden bipolaren Deckplatten in die deckungsgleich darunterliegenden schlitzförmigen Durchbrüche der Fensterfolien, Festelektrolyt-Elementen und bipolaren Platten usw. durch den ganzen Stapel hindurch und von den schlitzförmigen Durchbrüchen der bipolaren Platten 12 in den dazu kommunizierenden Rillen der einzelnen Rillenfelder 16, 17 zu den gegenüberliegenden schlitzförmigen Durchbrüchen 23, 25 und von dort aus wiederum durch die mit diesen kommunizierenden Durchgangslöcher 10, 11 in den beiden bipolaren Deckplatten 2, 3 heraus. Dabei ist das Festelektrolyt-Element so orientiert, daß seine Kathodenseite den Sauerstoff führenden Rillenfeldern der benachbarten bipola ren Platte und seine Anodenseite den Brennstoff führenden Ril lenfeldern der anderen, benachbarten bipolaren Platte zugewandt ist. Weil die Strömungsrichtung des Brennstoffs in den Rillen einer jeden bipolaren Platte senkrecht zu denen der Luft ausge richtet ist, spricht man vom Kreuzstromprinzip.

Beim Durchströmen der Rillenfelder befindet sich der Sauerstoff in direktem Kontakt mit den Kathoden der einzelnen Festelektro lyt-Elemente. An der Phasengrenze Kathode-Festelektrolyt werden die O₂-Moleküle aus der Luft unter Elektronenaufnahme in O^2-- Ionen umgewandelt. Als O^2--Ionen können sie über Sauerstoffleer stellen durch den Zirkonoxid-Festelektrolyten wandern. Dabei ge langen sie schließlich zur Anode, wo sie an der Phasengrenze Ano de-Festelektrolyt unter Abgabe von Elektronen mit dem Brenngas zu Kohlendioxid und Wasserdampf reagieren. Das sich bei der Oxi dation des Brenngases bildende Kohlendioxid und Wasserdampfge misch wird dann zusammen mit dem Brenngas wieder abgezogen. Da bei kann der Brennstoff extern in hier nicht weiter dargestell ter Weise von den Verbrennungsprodukten CO₂ und H₂O getrennt und wieder in die Brennstoffzuführungsleitung eingespeist wer den. Die an der Anode und Kathode sich bildenden Potentialunter schiede sind durch die jeweiligen gut leitenden Fensterfolien 52 und bipolaren Platten 12 untereinander in Serie geschaltet. Die Summe der in Serie geschalteten Potentiale der einzelnen Brennstoffzellen 1 können an den bipolaren Deckplatten abgegrif fen werden.

Die Fensterfolien 52 dichten die bipolaren Platten gegenüber den Festelektrolyt-Elementen 26 ab. Sie sorgen zugleich für einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem flächig aufge löteten Festelektrolyt-Element 26 und der an der Fensterfolie 52 angeschweißten bipolaren Platte 12. Die bei der herrschenden hohen Betriebstemperatur gut isolierenden Dichtleisten 46 bis 49 aus Zirkonoxid verhindern einen Elektronen-Kurzschluß zwischen den Anoden- und Kathodenoberflächen der Festelektrolyt-Elemente. Die Stege in den Fensterfolien haben die Funktion einer Flächen abstützung der auf den Festelektrolytplatten 28 aufgebrachten Elektroden 30 bis 35 und vergrößern die Kontaktflächen.

Die Fig. 7 zeigt eine schaubildliche Ansicht eines nach dem Parallelstrom arbeitenden Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brenn stoffzellenmoduls 70. Man erkennt in der Figur, daß dieses Brennstoffzellenmodul ebenso wie jenes der Fig. 1 aus einer Vielzahl von rechteckigen, im Ausführungsbeispiel quadratischen, plattenförmigen Elementen besteht, die aufeinandergestapelt sind und deren oberste und unterste Platte - je eine sogenannte bipolare Deckplatte 72, 74 - im Randbereich 16 kreisrunde Durchgangslöcher 76 bis 91 für die Einspeisung des Brennstoffs bzw. Brenngases und der Luft bzw. des Sauerstoffes trägt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 liegen bei diesem nach dem Parallelstrom arbeitenden Brennstoffzellenmodul sämtliche Durchgangslöcher an zwei einander gegenüberliegenden Seiten der beiden Deckplatten 72, 74. Dabei befinden sich die Durchgangslöcher auf der oberen und unteren bipolaren Deckplatte deckungsgleich übereinander. Auch bei diesem Festelektrolyt- Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul 70 liegen unter der oberen bipolaren Deckplatte der Reihenfolge nach eine in der Fig. 12 dargestellte Fensterfolie, ein in den Fig. 10 und 11 darge stelltes Festelektrolyt-Element, eine weitere Fensterfolie, eine in den Fig. 8 und 9 dargestellte bipolare Platte, eine weitere Fensterfolie, ein weiteres Festelektrolyt-Element, eine weitere Fensterfolie, eine weitere bipolare Platte usw. aufein ander. Auch hier bilden jeweils die zwischen zwei benachbarten bipolaren Platten liegenden beiden Fensterfolien mit dem zwischen liegenden Festelektrolyt-Element und den an den Fensterfolien anliegenden Seiten der beiden benachbarten bipolaren Platten zusammen eine Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzelle.

Die Fig. 8 zeigt in einer Aufsicht den Aufbau einer nach dem Parallelstromprinzip aufgebauten bipolaren Platte 92. Diese ist ebenso wie die bipolare Platte 12 der Fig. 2 und 3 einteilig ausgeführt und besteht aus einem der für die bipolare Platte 12 genannten Werkstoffe. Diese bipolare Platte 92 trägt auf jeder ihrer beiden Seiten zwei zueinander parallele Rillenfelder 94, 96, 98, welche mit Ausnahme eines Randbereichs nahezu die gesamte Fläche der bipolaren Platte überdecken. Im Unterschied zur bipolaren Platte der Fig. 2 und 3 sind jedoch die Rillen felder 94, 96, 98 auf beiden Seiten dieser bipolaren Platte 92 deckungsgleich übereinander angeordnet. Außerdem befinden sich im Randbereich der bipolaren Platte gegenüber den Enden der Rillen eines jeden Rillenfeldes zwei schlitzförmige Durchbrüche 100 bis 107. Die Rillen der Rillenfelder 94, 96, 98 kommunizieren an ihren beiden Enden mit je einer Ausfräsung 108 bis 112 in der bipolaren Platte 92, die ihrerseits wiederum mit zwei diagonal zueinander stehenden schlitzförmigen Durchbrüchen kommunizieren. Dabei kommunizieren, wie die Schnittdarstellung der Fig. 9 zeigt, die Rillenfelder der einen Seite der bi polaren Platte 92 mit jeweils einem anderen schlitzförmigen Durchbruch als die Rillenfelder auf der hierzu gegenüberliegen den Seite der bipolaren Platte.

Ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 dargestellt, unterscheiden sich die oberste und unterste bipolare Deckplatte 72, 74 des Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellenmoduls 70 der Fig. 7 von der in der Fig. 8 und 9 dargestellten bi polaren Deckplatte nur dadurch, daß sie nur auf der dem Stapel zugewandten inneren Seite Rillenfelder und Einfräsungen tragen, nicht aber auf der anderen Seite. Außerdem sind die vier schlitz förmigen Durchbrüche nicht als Durchbrüche, sondern als Ein senkungen ausgeführt und lediglich an ihren beiden Enden je weils mit zwei Durchgangslöchern 76 bis 91 versehen.

Die Fig. 10 zeigt eine Aufsicht auf ein Festelektrolyt-Element 114, das mit Ausnahme seines Randbereiches identisch aufgebaut ist wie das Festelektrolyt-Element 26, das in den Fig. 4 und 5 beschrieben ist. Das heißt, das Festelektrolyt-Element 114 ent hält vier auf der einen Seite mit Kathoden- und auf der anderen Seite mit Anodenmaterial beschichtete Festelektrolytplatten 116. Auch hier sind die aus Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid beste henden Festelektrolyt-Platten von einem aus vier Dichtleisten 124 bis 127 aufgebauten Rahmen 128 umgeben, der aus einer Zirkon oxid-Keramik besteht. Die einzelnen Dichtleisten des Rahmens 128 sind mit den Fensterfolien mit einem oberhalb der Betriebstempe ratur von 1100°C schmelzenden Lot 130 verlötet. Der Rahmen könn te aber auch aus einem Glas mit angepaßtem Ausdehnungskoeffizien ten bestehen. Im Unterschied zum Festelektrolyt-Element der Fig. 4 und 5 tragen jedoch nur zwei einander gegenüberliegende Dichtleisten 125, 127 schlitzförmige Durchbrüche 132 bis 138, die deckungsgleich zu den schlitzförmigen Durchbrüchen 100 bis 107 der bipolaren Platte 92 angeordnet sind.

Die Fig. 12 zeigt eine Aufsicht auf eine Fensterfolie 140, die im Ausführungsbeispiel aus dem gleichen Material wie die bipo lare Platte 92 besteht. Diese Fensterfolie trägt, ähnlich wie die Fensterfolie 52 der Fig. 6, vier Fensterdurchbrüche 142 bis 145, welche wahlweise, ebenso wie anhand der Fig. 6 erläu tert wurde, auch Stege tragen können. Außerdem trägt die Fenster folie 140 an zwei einander gegenüberliegenden Seiten schlitz förmige Durchbrüche 146 bis 153, die wiederum deckungsgleich mit den schlitzförmigen Durchbrüchen 132 bis 139 im Festelektrolyt- Element 114 angeordnet sind.

Beim Betrieb des Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellen moduls 70 wird der Brennstoff durch die jeweils mit den Rillen feldern 94 bis 98 der einen Seite der bipolaren Platte 92 kom munizierenden Bohrungen 84, 85, 88, 89 eingeleitet und wird der Sauerstoff bzw. die Luft durch die Bohrungen 76, 77, 80, 81 der jeweils mit den Rillenfeldern der hierzu gegenüberliegenden Seite der bipolaren Platte 92 kommunizierenden schlitzförmigen Durchbrüche eingeleitet. Dabei strömt der Brennstoff bzw. der Sauerstoff durch die deckungsgleich übereinanderliegenden schlitzförmigen Durchbrüche 100 bis 107 der bipolaren Platten 92, der Fensterfolien 140 und der Festelektrolyt-Elemente 114 durch den ganzen Stapel hindurch und strömt mit den mit den jeweiligen Durchbrüchen kommunizierenden Ausfräsungen in den Oberflächen der bipolaren Platten in das jeweils zugeordnete Rillenfeld hinein und auf der gegenüberliegenden Seite über ebensolche Ausfräsungen in die diagonal dazu angeordneten schlitzförmigen Durchbrüche und von dort wieder durch die mit diesen Durch brüchen kommunizierenden Bohrungen aus den Deckplatten 72, 74 wieder heraus. Dabei wird jede Seite der bipolaren Platte ent weder nur mit Brennstoff oder nur mit Sauerstoff beaufschlagt.

Die Festelektrolyt-Elemente 114 sind zwischen Fensterfolien 140 so zu den ihnen benachbarten bipolaren Platten 92 orientiert, daß sich der durch die Rillenfelder strömende Sauerstoff in direktem Kontakt mit den Kathodenoberflächen und der durch die Rillen strömende Brennstoff in direktem Kontakt mit den Anodenoberflächen der Festelektrolyt-Platten befindet. Dabei werden bei der herrschenden Betriebstemperatur von 800° bis 1100°C O₂-Moleküle aus der Luft unter Elektronenaufnahme in O^2--Ionen umgewandelt. Als O^2--Ionen können sie dann über Sauerstoffleerstellen durch den Zirkonoxid-Festelektrolyten wandern. Dabei gelangen sie zur Anode, wobei sie an der Pha sengrenze Anode-Festelektrolyt unter Abgabe von Elektronen mit dem Brenngas zu Kohlendioxid und Wasserdampf reagieren. Das sich bei der Oxidation des Brenngases bildende Kohlendioxid- und Wasserdampfgemisch wird dann mit dem Brennstoff wieder aus den entsprechenden Bohrungen der beiden Deckplatten ausge tragen. Die sich an der Anode und Kathode bildenden Potential unterschiede werden durch die jeweiligen gut leitenden Fenster folien und bipolaren Platten untereinander in Serie geschaltet. Die Summe der in Serie geschalteten Potentiale der einzelnen Zellen kann dann an den beiden äußeren Deckplatten abgegriffen werden. Die Fensterfolien 140 haben hier die gleichen Aufgaben, wie das anhand des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 bis 6 erläutert wurde. Abgesehen von den unterschiedlichen Strömungs wegen für Gas bzw. Brennstoff und Sauerstoff bzw. Luft, ist auch die Funktion der nach dem Kreuzstromprinzip und der nach dem Parallelstromprinzip aufgebauten Festelektrolyt-Hochtemperatur- Brennstoffzellenmodule 1 und 70 gleich.

Es wäre denkbar, daß man in den Rillen zur besseren Verwirbelung der Gasströme kleine Querrillen einbringt, oder geringfügige Unebenheiten vorsieht. Des weiteren wäre es denkbar, wenn auch wesentlich aufwendiger, die Rillen auf der mit Sauerstoff be aufschlagten Seite konisch auszubilden. Diese Maßnahme erlaubt es, auf der Brenngasseite die allmähliche Verdünnung mit Verbrennungsprodukten durch Verringerung der Geschwindigkeit zu kompensieren. Sie erlaubt es auch, die Kühlung ortsabhängig zu beeinflussen. Es ist auch denkbar, die Strömungsrichtung in benachbarten Rillenfeldern einer jeden Seite der bipolaren Platte gegenläufig anzuordnen.

Durch die Verwendung einer CrNi-Legierung mit einem Nickelge halt von 5 bis 15 Gew.-% Nickel und Seltenen Erdenmetallen als Spurenelemente oder einer FeCrAl-Legierung mit Gehalten von 5 bis 15 Gew.-% Mo und/oder 5 bis 15 Gew.-% W für die Fenster folien und/oder bipolare Platten wird ein Material verwendet, das bei guter elektrischer Leitfähigkeit den gleichen thermi schen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie die aus Yttrium stabilisierten Zirkonoxid bestehenden Festelektrolyt-Platten, so daß bei Temperaturänderungen keine mechanischen Spannungen auf die Festelektrolyt-Platten übertragen werden können. Dabei verbessern die Seltenen Erdenelemente die Korrosionsbeständig keit der CrNi-Legierung.

Claims

1. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul (1, 70) mit mehreren in Serie geschalteten planen, fest aufeinander liegenden Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellen, wobei zwischen unmittelbar benachbarten, in Serie geschalteten Zellen je eine, die Kathode der einen Zelle mit der Anode der dieser benachbarten Zelle elektrisch leitend verbindende, die Gasver teilung mittels beidseitig eingelassener offener Kanäle (14 bis 17, 94, 96, 98) sicherstellende und ein tragendes Struktur element darstellende bipolare Platte (12, 92) eingebaut ist, welche im Randbereich Durchbrüche (100 bis 107), die entweder mit den Kanälen der einen Seite oder den Kanälen der anderen Seite der bipolaren Platte kommunizieren, enthält, und wobei zwischen den einander benachbarten bipolaren Platten je ein Festelektrolyt-Element (26, 114) eingelegt ist, welches auf der einen Seite mit Kathodenmaterial und auf der anderen Seite mit Anodenmaterial beschichtet ist, an den Rändern mittels se parater Dichtflächen gasdicht an den bipolaren Platten anliegt und im Randbereich eigene mit den Durchbrüchen der bipolaren Platte deckungsgleiche Durchbrüche (38 bis 45, 132 bis 139) aufweist, im wesentlichen nach Patentanmeldung P 39 35 722.8, dadurch gekennzeichnet, daß die bipo lare Platte aus einer metallisch leitenden Legierung gefertigt ist, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient mit demjenigen des Festelektrolyt-Elements (26, 114) übereinstimmt.

2. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1, bei dem beidseitig der Festelektrolyt-Elemente (26, 114) zwischen diesen und den bipolaren Platten (12, 92) als Dichtflächen sogenannte Fensterfolien (52, 140) eingesetzt sind, welche im Randbereich mit den Durchbrüchen der bipolaren Platte deckungsgleiche eigene Durchbrüche (54 bis 61, 146 bis 153) und gegenüber den Kanälen der bipolare Platte Fenster durchbrüche (62 bis 65, 142 bis 145) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Fensterfolien (52, 140) aus einem elektrisch gut leitendem Material mit einem thermi schen Ausdehnungskoeffizient gefertigt sind, der mit dem ther mischen Ausdehnungskoeffizienten der Festelektrolyt-Elemente übereinstimmt.

3. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die bipolaren Platten (12, 92) und/oder die Fensterfolien (52, 140) bei der Verwendung von Zirkonoxid für die Festelektrolyt-Platten (28, 116) und Rahmen (36, 128) der Festelektrolyt-Elemente (26, 114) aus einer Chrom-Nickel- Legierung mit Nickelgehalten von 5 bis 15 Gew.-% gefertigt sind.

4. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Chrom-Nickel-Legierung Seltene Erdenmetalle als Spurenelemente beigemischt sind.

5. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellenmodul nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die bipolaren Platten (12, 92) und/oder die Fensterfolien (52, 140) bei Verwendung von Zirkonoxid für die Festelektrolyt-Platten (28, 116) und Rahmen (36, 128) der Festelektrolyt-Elemente (26, 114) aus einer Eisen-Chrom- Aluminium-Legierung mit Gehalten von 5 bis 15 Gew.-% Molybdän und/oder 5 bis 15 Gew.-% Wolfram gefertigt sind.