DE4326455A1 - Festoxyd-Brennstoffzellengenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Generator, der Festoxyd- Brennstoffzellen verwendet. Genauer betrifft sie einen Ge­ nerator, der ein Brennstoff- oder Brennstoffhilfsgas effektiv vorheizen kann.

Eine Festoxyd-Brennstoffzelle (nachstehend SOFC ge­ nannt) wird bei einer Temperatur in der Größenordnung von 1000°C betrieben. Es ist daher erforderlich, eine Einrichtung zum Zuführen eines Brennstoff- oder Brennstoffhilfsgases in eine Generatorkammer hinein und eine Einrichtung zum Abführen nicht umgesetzten oder umgesetzten Gases aus der Kammer heraus vorzusehen.

In einen Aufbau, bei dem das Substrat die Kombination eines Gaseinlaßteils und eines Gasauslaßteils mit einem Zel­ lenanbringungsteil darstellt, kann daher der Zellenabschnitt oder der Energieerzeugungsabschnitt nur an einem Mittelab­ schnitt des Substrats vorgesehen sein, was zu einer geringen Flächeneffizienz bezüglich des Substrats und zu einer Zunahme der Baugröße der Baueinheit führt. Da das Gas mit einer Tempe­ ratur in der Größenordnung der Raumtemperatur direkt dem Zel­ lenabschnitt zugeführt wird, neigt der Zellenabschnitt darüber hinaus dazu, gekühlt zu werden, was die Generatoreffektivität senkt. Das Problem tritt merklich insbesondere an einem Ab­ schnitt auf, wo ein Brennstoffshilfsgas, wie etwa Luft, zuge­ führt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenn­ stoffzellengenerator zu schaffen, bei dem die Flächeneffizienz bezüglich des Substrats verbessert ist und bei dem die Erzeu­ gungseffektivität durch ausreichende Gasvorheizung ebenfalls verbessert ist.

Erfindungsgemäß wird ein Festoxyd-Brennstoffzellenge­ nerator geschaffen, der aufweist: mehrere Brennstoffzellen-An­ bringungsöffnungen, die auf der Oberfläche eines hohlen, dich­ ten Substrats ausgebildet sind und Halterungen darin aufwei­ sen; und Zellenabschnitte auf von den Anbringungsöffnungen und den Halterungen gebildeten Absätzen, wobei benachbarte Zellen­ abschnitte durch elektrisch leitende Verbindungen miteinander verbunden sind, wobei ein hohler länglicher Zuführkanal zum Zuführen eines Brennstoff- oder Brennstoffhilfsgases benach­ bart den Zellenanbringungsöffnungen in dem Substrat vorgesehen ist, wobei der Zuführkanal an seinem anderen Ende in Verbin­ dung mit einem hohlen Abschnitt des Substrats innerhalb der Zellenabschnitte gehalten wird. Der Zuführkanal beziehungs­ weise die Zufuhrkanäle ist/sind vorzugsweise auf beiden Längs­ seiten des Substrats vorgesehen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand bevorzugter Aus­ führungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeich­ nung mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Festoxyd-Brennstoff­ zellengenerator nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 6,

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 6,

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht eines oberen Teils von Fig. 3,

Fig. 5 eine größere Ansicht eines unteren Teils von Fig. 3,

Fig. 6 eine teilweise geschnittene schematische Per­ spektivansicht des Festoxyd-Brennstoffzellen­ generators nach der Erfindung,

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Modifikation des Festoxyd-Brennstoffzellengenerators nach der Erfindung,

Fig. 8 eine Schnittansicht eines Substrats nach Fig. 7,

Fig. 9 eine Schnittansicht eines gegenüber demjenigen nach Fig. 2 modifizierten Substrats,

Fig. 10 eine Schnittansicht eines anderen, gegenüber demjenigen nach Fig. 2 modifizierten Sub­ strats,

Fig. 11 eine Draufsicht auf eine weitere Modifikation eines Festoxyd-Brennstoffzellengenerators nach der Erfindung,

Fig. 12 eine Schnittansicht eines Substrats nach Fig. 11 und

Fig. 13 eine Schnittansicht eines weiteren gegenüber demjenigen nach Fig. 12 modifizierten Sub­ strats.

Von dem herkömmlichen Generator, bei dem beide Enden eines als Gaskanal dienenden hohlen Abschnitts eines dichten Substrats offen sind, um eine Gasströmung in einer Richtung zu erlauben, unterscheidet sich der Festoxyd-Brennstoffzellenge­ nerator nach der Erfindung darin, daß er hohle Abschnitte auf­ weist, die in dem Substrat ausgebildet sind, und zwar ohne Kontakt mit den Zellenabschnitten, und die als Gaszuführkanäle für ein Brennstoff- oder Brennstoffhilfsgas verwendet werden. Die Kanäle kommunizieren an ihrem einen Ende mit anderen hoh­ len Teilen des Substrats, auf dem Zellenabschnitte angebracht sind. Auf diese Weise können die vorheizenden und nicht erzeu­ genden Substratbereiche, die bei dem herkömmlichen Generator zum Vorheizen und zum Einführen des Gases in das Innere des Substrates vorgesehen sind, verringert werden und die Sub­ stratlänge kann ebenfalls bei gleichem erzeugenden Bereich verringert werden. Demzufolge kann die Baugröße der Modulein­ heit (Stapel) reduziert werden.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Zu­ führkanal auf beiden Längsseiten des Substrats vorgesehen. Da­ durch wird nicht nur das Problem des Kühlens des erzeugenden Abschnitts und der daraus resultierenden Absenkung der Erzeu­ gungseffektivität überwunden, sondern es müssen auch keine speziellen Komponenten, wie etwa Vorheizröhren verwendet wer­ den. Darüber hinaus können bei diesem Aufbau beide Längsseiten des Substrates, die bisher tote Zonen (das heißt Zonen ohne Zellenabschnitte) zum Aufrechterhalten der Standfestigkeit ei­ nes dichten Substrates waren, als Zuführkanäle verwendet wer­ den, wodurch insbesondere die Flächeneffektivität erhöht wird, während die Standfestigkeit des dichten Substrates erhalten bleibt.

Da das Substrat nach der Erfindung aus einer dichten Struktur ist, ist es darüber hinaus nicht erforderlich, sich von den Zellenabschnitten unterscheidende Substratteile mit einem speziellen Gasdichtungsfilm abzudichten, und zwar im Ge­ gensatz zu dem herkömmlichen System, bei dem die Zellenab­ schnitte auf einem porösen Substrat angebracht sind und sich von den Zellenabschnitten unterscheidende Teile mit einem spe­ ziellen Gasdichtungsfilm abgedeckt werden müssen. Daher kann erfindungsgemäß der hohle Teil des Substrats uneingeschränkt für die Gasvorheizung oder dergleichen verwendet werden. Da ein Ende des Substrats vorher geschlossen wird, ist darüber hinaus eine Gasdichtungsbehandlung zwischen dem Substrat und einem Halteelement, daß das Substrat in einer Kammer hält, nur an dem unteren Ende des Substrats erforderlich, und zwar im Gegensatz zu dem herkömmlichen System, bei dem das Substrat befestigt und hermetisch an beiden Enden des Substrats ab­ gedichtet wird. Demzufolge wirken keine thermischen Spannungen auf das Substrat, und zwar selbst dann, wenn Abmessungsunter­ schiede zwischen dem Substrat und seinem Halteelement infolge von Unterschieden in dem jeweiligen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten auftreten, und die Probleme der Zerstörung des befestigten Teils des Substrats und von Gasundichtigkeiten an diesem Teil sind umfassend überwunden.

Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf folgende Beispiele detaillierter erläutert.

Beispiele

Der Grundaufbau des Festoxyd-Brennstoffzellengenera­ tors nach der Erfindung, wie er schematisch in der teilweise geschnittenen perspektivischen Ansicht nach Fig. 6 gezeigt ist, weist ein Substrat 1 mit mehreren hohlen Teilen 2, eine Vielzahl Brennstoffzellen-Anbringungsöffnungen 4 auf der Ober­ fläche des Substrates 1 und eine Vielzahl Halterungen 5 je­ weils in den Öffnungen 4 auf.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Festoxyd-Brennstoffzellengenerators. Ein Stapel mit einer Vielzahl Zellenabschnitte 3, die auf einem an seinem oberen Ende geschlossenen dichten Substrat 1 angebracht sind, ist an seinem unteren Ende mit geschmolzenem Glas 11 abgedichtet, und über Lufteinlaßröhren 9 an beiden Seiten des Substrats 1 wird Luft in das Innere des Substrats eingeführt, während über Brennstoffeinlaßöffnungen 12 ein gasförmiger Brennstoff, wie etwa Wasserstoff, dazu gebracht wird, von einer oberen Brenn­ stoffeinlaßkammer auf einer Außenseite des Substrats 1 zu strömen. Die Zellenabschnitte 3 sind miteinander seriell ver­ schaltet und die erzeugte Elektrizität wird von einer Anode 6 aus Nickelfilz und einer Kathode 7 aus Nickelfilz gesammelt, die in Fig. 1 an den unteren Enden einer Generatorkammer und der Brennstoffeinlaßkammer angeordnet sind.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 6, das heißt eine Schnittansicht des Substrates 1 nach Fig. 1. Der Zellenabschnitt ist nicht gezeigt. Über die Luft­ einlaßröhren 9 wird von der Lufteinlaßkammer zugeführte Luft in beide Längsseiten des Substrats eingeführt, so daß die Luft in hohlen Teilen strömt, die nicht mit den Zellenabschnitten 3 in Verbindung stehen, wobei sie durch den Wärmeübergang von der Generatorkammer vorgeheizt wird und dann in einen angren­ zenden zentralen Strömungskanal strömt.

Die Längsseiten des Substrats 1 sind als tote Zone ausgelegt, das heißt als eine Zone ohne Zellenabschnitte, zum Aufrechterhalten der Standfestigkeit des dichten Substrats. Diese Zone wird zum Vorheizen verwendet. Überschüssige Luft, die unverbraucht den zentralen Strömungskanal passiert hat, wird über Luftausströmröhren 10 zur weiteren Vorheizung der Lufteinlaßröhren 9 in eine Luftvorheizkammer abgeführt. Der Luftvorheizeffekt kann weiter verbessert werden, indem abgege­ bener Brennstoff von einer Generatorkammer in die Luftvorheiz­ kammer eingeführt wird, um in der Luftvorheizkammer zu ver­ brennen.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 6, das heißt eine Schnittansicht durch einen mittleren Teil von Fig. 1. Der Zellenabschnitt ist nicht gezeigt. Auf diese Weise kann eine große Anzahl Stapel wie gezeigt angeord­ net werden.

Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines oberen Teils von Fig. 3. Jeder der Stapel ist von einer Trennwand zwischen der Brennstoffeinlaßkammer und der Generatorkammer gehalten, wobei der gasförmige Brennstoff über einen in der Trennwand vorgesehenen Spalt eingespeist wird. Der Nickelfilz 7 ist über eine elektrisch leitende Verbindung 8 mit einer Luftelektrode an dem obersten Teil des Zellenabschnitts ver­ bunden und dient als positiver Stromsammelanschluß. Wird Me­ than oder dergleichen als Brennstoff verwendet, kann der Nickelfilz auch als Katalysator für die Gasreformierung die­ nen. Die Trennwand ist eine Führungswand für SOFC-Stapel und ist nicht fest mit diesen Stapeln verbunden. Daher unterliegt das Substrat nicht der Zerstörung des festen Teils des Sub­ strats und der Gasleckage in diesem Teil.

Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht des unteren Teils von Fig. 3. Die Stapel sind jeweils infolge ihrer eigenen Schwere in das geschmolzene Glas 11 eingebettet, um eine Gas­ dichtung zwischen der Luft und dem gasförmigen Brennstoff auf der Innen- und der Außenseite des Substrats zu erzielen. Luft­ einlaß und -auslaß in die und aus den Stapeln erfolgt über Röhren, die die Trennwände zwischen der Luftvorheizkammer und der Generatorkammer und zwischen der Luftvorheizkammer und der Lufteinlaßkammer durchstoßen. Der Nickelfilz 6 in Fig. 5 gese­ hen oberhalb des geschmolzenen Glases 11 ist über die elek­ trisch leitende Verbindung 8 derart mit einer an dem untersten Teil der Zelle ausgebildeten Brennstoffelektrode verbunden, daß er die Rolle eines negativen Stromsammelanschlusses spielt.

Fig. 7 zeigt eine Modifikation, bei der die nicht mit den Zellenabschnitten 3 in Verbindung stehenden Strö­ mungskanäle auf beiden Längsseiten des Substrates 1 verlängert sind, um Lufteinlaßröhren 9 zu bilden. Diese Modifikation ent­ spricht ansonsten dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel, wenngleich die gemeinsamen Teile nicht gezeigt sind. Fig. 8 zeigt eine Querschnittansicht des Substrats 1 parallel zu der Substratoberfläche. Die Zellenabschnitte sind nicht gezeigt.

Fig. 9 zeigt im Querschnitt des Substrats eine andere Modifikation der Erfindung, bei der sich nur der Strömungska­ nalaufbau von demjenigen der vorhergehenden Ausführungsbei­ spiele unterscheidet. Die Zellenabschnitte sind wiederum nicht gezeigt. Bei dieser Modifikation sind die in Fig. 9 unteren Enden der zentralen Strömungskanäle des Substrats zur Kommuni­ kation miteinander offen, und in der Kommunikationszone ist eine einzelne Luftausströmröhre 10 vorgesehen.

Fig. 10 zeigt in Querschnittansicht des Substrats 1 eine weitere Modifikation, bei der nur eine Lufteinlaßröhre 9 an einer Längsseite des Substrats 1 vorgesehen ist. Der Zel­ lenabschnitt ist nicht gezeigt. Im übrigen entspricht diese Modifikation derjenigen nach Fig. 2.

Nach einer in Fig. 11 gezeigten weiteren Modifikation sind die Zellenabschnitte 3 in zwei parallelen Gruppen auf dem Substrat 1 angeordnet und benachbarte innere Lufteinlaßröhren der Gruppen sind in einer zentralen Lufteinlaßröhre kombi­ niert. Fig. 12 zeigt den Querschnitt des Substrats, der die Strömungskanalstrukturen zeigt. Die Zellenabschnitte sind wie­ derum nicht gezeigt. Im übrigen entspricht diese Modifikation dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2.

Fig. 13 zeigt noch eine weitere Modifikation, bei der die Lufteinlaßröhren 9 auf beiden Seiten des Substrats 1 in Fig. 12 bis auflediglich die zentrale Lufteinlaßröhre elimi­ niert sind. In Fig. 13 sind wiederum die Zellenabschnitte nicht gezeigt. Das Substrat ist in verringerter Breite ge­ zeigt. Bei dieser Modifikation sind die Zellenabschnitte in zwei Gruppen auf beiden Seiten der zentralen Lufteinlaßröhre angeordnet. Ansonsten entspricht diese Modifikation derjenigen nach Fig. 2.

Aus dem obigen ergibt sich, daß die Erfindung einen Festoxyd-Brennstoffzellengenerator schafft, bei dem das Sub­ strat aus einer dichten Struktur mit hohlen Teilen gemacht ist, welche Zuführkanäle zum Zuführen eines Brennstoff- oder Brennstoffhilfsgases zu Zellenabschnitten darstellen, wodurch ein ausreichend vorgeheiztes Gas den Zellenabschnitten zuge­ führt wird, um die Erzeugungseffizienz zu verbessern, ohne daß die Verwendung einer gesonderten Gaszuführeinrichtung oder dergleichen erforderlich wäre. Da die Zuführkanäle an den Längsseiten des Substrats angeordnet sind, kann darüber hinaus die Flächeneffektivität des Generatorabschnitts erheblich ver­ bessert werden und das Formen des Substrats kann auf einfache Weise bei geringeren Produktionskosten erfolgen. Da das Sub­ strat an seinem einen Ende geschlossen und nur an seinem unte­ ren Ende von seinem eigenen Gewicht gehalten ist, ist jede Schwierigkeit bei der Gasdichtung eliminiert.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausfüh­ rungsformen wesentlich sein.

Claims (2)

1. Festoxyd-Brennstoffzellengenerator, der aufweist: eine Vielzahl Zellenanbringungsöffnungen, die auf der Oberflä­ che eines hohlen dichten Substrates ausgebildet sind und Hal­ terungen darin aufweisen; und Zellenabschnitte auf von den An­ bringungsöffnungen und den Halterungen gebildeten Absätzen, wobei benachbarte Zellenabschnitte durch elektrisch leitende Verbindungen miteinander verbunden sind, wobei ein hohler länglicher Zuführkanal zum Zuführen eines Brennstoff- oder Brennstoffhilfsgases benachbart den Zellenanbringungsöffnungen in dem Substrat vorgesehen ist, wobei der Zuführkanal an sei­ nem anderen Ende in Verbindung mit einem hohlen Abschnitt des Substrats innerhalb der Zellenabschnitte gehalten wird.

2. Festoxyd-Brennstoffzellengenerator nach Anspruch 1, bei dem der Zuführkanal auf beiden Längsseiten des Substrats vorgesehen ist.