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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf Festoxid-Brennstoffzellen.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte Festoxid-Brennstoffzellenkonstruktion,
die gestattet, dass viele Zellen sowohl in Reihe als auch parallel
miteinander verbunden werden können,
während
trotzdem gestattet wird, dass eine einzelne Zelle in einem Stapel
von Zellen entfernt und ausgetauscht werden kann.
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Eine
Brennstoffzelle ist im Grunde eine galvanische Umwandlungsvorrichtung,
in der elektrochemisch ein Brennstoff mit einem Oxidationsmittel innerhalb
katalytischer Grenzen reagiert, um einen Gleichstrom zu erzeugen.
Eine Brennstoffzelle enthält üblicherweise
ein Kathodenmaterial, das einen Kanal für das Oxidationsmittel bildet,
und ein Anodenmaterial, das einen Kanal für den Brennstoff bildet. Ein
Elektrolyt ist sandwichartig zwischen den Kathoden- und Anodenmaterialien
angeordnet und trennt diese. Eine einzelne elektrochemische Zelle erzeugt
gewöhnlich
eine relativ kleine Spannung. Um also höhere Spannungen zu erzielen,
die verwendbar sind, werden die einzelnen elektrochemischen Zellen
miteinander in Reihe geschaltet, um einen Stapel zu bilden. Eine
elektrische Verbindung zwischen den Zellen wird durch die Verwendung
einer elektrischen Zwischenverbindung zwischen der Kathode und Anode
von den Nachbarzellen erzielt. Weiterhin sind in dem Stapel üblicherweise
Kanäle
oder Verteiler enthalten, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel
in den Stapel und aus diesem heraus zu leiten.
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Die
Brennstoff- und Oxidations-Strömungsmittel
sind gewöhnlich
Gase und werden kontinuierlich durch getrennte Zellkanäle geleitet.
Eine elektrochemische Umwandlung tritt an oder nahe der Dreiphasengrenze
des Gases, der Elektroden (Kathode und Anode) und des Elektrolyten
auf. Der Brennstoff reagiert elektrochemisch mit dem Oxidationsmittel, um
eine elektrische Ausgangsgleichspannung zu erzeugen. Die Anode oder
Brennstoff-Elektrode verstärkt
die Rate, mit der elektrochemische Reaktionen auf der Brennstoffseite
auftreten. Die Kathode oder Oxidationsmittel-Elektrode funktioniert
in ähnlicher Weise
auf der Oxidationsmittelseite.
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Genauer
gesagt, reagiert in einer Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC von Solid
Oxide Fuel Cell) der Brennstoff mit Oxidionen auf der Anode, um
Elektronen und Wasser zu erzeugen, wobei das Letztere in der Brennstoffströmung abgeführt wird.
Der Sauerstoff reagiert mit den Elektronen auf der Kathodenfläche, um
Oxidionen zu bilden, die durch den Elektrolyten hindurch zur Anode
diffundieren. Die Elektronen strömen
von der Anode durch einen externen Stromkreis und dann zur Kathode,
wobei der Stromkreis intern durch den Transport von Oxidionen durch
den Elektrolyten hindurch geschlossen wird.
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In
einer SOFC ist der Elektrolyt in einer festen Form. Üblicherweise
ist der Elektrolyt aus einer nicht-metallischen Keramik hergestellt,
wie beispielsweise einer dichten Yttriumoxid-stabilisierten Zirkonoxid
(YSZ)-Keramik, die ein Nichtleiter von Elektronen ist, der sicherstellt,
dass die Elektronen durch den externen Stromkreis fließen müssen, um
nutzbare Arbeit zu erbringen. Als solcher sorgt der Elektrolyt für einen
Spannungsaufbau auf gegenüberliegenden Seiten
des Elektrolyten, während
die Brennstoff- und Oxidationsmittelgase voneinander getrennt werden. Die
Anode und Kathode sind im Allgemeinen porös, wobei die Anode häufig aus
einem Nickel/YSZ-Keramikmetallgemisch hergestellt ist und die Kathode häufig aus
dotiertem Lanthan-Manganit hergestellt ist. In der Festoxid-Brennstoffzelle
wird häufig
Wasserstoff oder ein Kohlenwasserstoff als der Brennstoff benutzt,
während
Sauerstoff oder Luft als das Oxidationsmittel verwendet wird.
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Wie
oben ausgeführt
ist, ist die Ausgangsspannung von einer einzelnen Brennstoffzelle
für viele
Anwendungen viel zu klein. Somit wird es häufig notwendig, viele Brennstoffzellen
in Reihe zu schalten. Zusätzlich
erfordert der Leistungsbedarf von vielen Systemen, dass häufig Brennstoffzellen
in elektrischen Parallelschaltungen verbunden werden, um dadurch
einen größeren Gesamtstrom
zu Iiefern. Das physikalische Stapeln von vielen Brennstoffzellen
in Reihen-, Parallel- oder Reihen/Parallel-Konfiguration muss jedoch
gasdichte Verbindungen enthalten, um eine sichere und effiziente
Strömung
von Reaktionsgasen zu gestatten. Üblicherweise wird eine Gruppe
von einzelnen Brennstoffzellen geschweißt, gelötet oder auf andere Weise zu
einem einzigen einheitlichen Stapel verbunden, um dadurch das unrichtige
Mischen der Reaktionsgase zu verhindern, wie es in dem US-Patent
5,861,221 beschrieben ist. Wenn also eine einzelne Zelle entfernt
und ausgewechselt werden muss, wie beispielsweise zum Prüfen, werden
die übrigen
Zellen in dem Prozess zerstört.
Dies führt
zu signifikanten Verlusten an Zeit und Geld.
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Beispielsweise
können
Defekte während
des Brennens der Zellmaterialien auftreten, was das Leistungsvermögen der
Brennstoffzelle negativ beeinflusst. Wo benachbarte Zellen zu einem
einzelnen einheitlichen Stapel verschmolzen oder verbunden sind,
kann eine einzelne Zelle, die fehlerhaft gebildet ist, nicht entfernt
und gegen eine nicht-fehlerhafte Zelle ausgetauscht werden. Bestenfalls
wird das Leistungsvermögen
des Brennstoffzellenstapels beeinträchtigt. Im schlechtesten Fall
muss der gesamte Stapel aussortiert werden aufgrund des Fehlers
von einer einzigen Zelle.
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Eine
Untersuchung des Standes der Technik zeigt, dass die verschiedenen
Konstruktionen, die für ein
Stapeln von vielen Brennstoffzellen in Reihe und/oder parallel angepasst
worden sind, nachteilig sind für
einen einfachen Austausch von einzelnen Brennstoffzellen. In dem
US-Patent 3,776,777 bildet eine Anordnung von Brennstoffzellen einen
hohlen Zylinder. Eine elektrische Reihenverbindung wird dadurch
ausgebildet, dass zwei Halbzylinderabschnitte verbunden werden.
Elektroden sind in Bändern über den
inneren und äußeren Oberflächen des
Halbzylinders konfiguriert. Ein oxidierendes Mittel wird gegenüber der
Außenseite
des Zylinders ausgesetzt, und ein Wasserstoff-Brennstoff strömt durch
die hohle Mitte des Zylinders. Die halbzylindrischen Abschnitte sind
miteinander verbunden entweder durch Schweißen oder durch Aufbringen einer
keramischen oder glasartigen gesinterten Schicht. Wenn also eine
einzelne Brennstoffzelle defekt wird, muss der gesamte Zylinder
aussortiert werden. Zusätzlich
begrenzt die geometrische Form die Verwendung einer derartigen Struktur,
wo Raum eine Einschränkung
ist. Sie ist nicht "stapelbar" in dem geometrischen
Sinn, dass sich ein Stapel von im wesentlichen ebenen, dünnen Brennstoffzellen
bilden würde.
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Ein
einheitlicher modularer Brennstoffzellenstapel in dem US-Patent
5,741,605 kann außerhalb eines
Leistungsgenerators gefertigt und anschließend darin angebracht werden.
Jeder Stapel enthält eine
Anzahl von rohrförmigen
Festoxid-Brennstoffzellen, die zu einer halbfesten Einheit "gebündelt" sind. Wenn ein Stapel
fehlerhaft wird, kann der Stapel entfernt werden, ohne dass die
gesamte Leistungserzeugungsanlage abgeschaltet werden muss. Es wird
jedoch keine Erläuterung über den
Aufbau von einer Zelle gegeben, die einzeln aus einem Stapel entfernt
werden kann.
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US-Patent
5,882,809 beansprucht, einzelne Zellen in einem Stapel bereitzustellen,
die einzeln ausgetauscht werden können, ohne den Stapel zu beeinträchtigen,
aber nur bei Fehlen einer hohen Leistungsdichte. Die Zellen sind
einzeln gesintert und mechanisch zusammengehalten. Die mechanischen Mittel
können äußere Klemmen,
Federn oder Gewichte umfassen, obwohl ihre Verwendung nicht speziell
beschrieben ist. Trotzdem kann vermutet werden, dass diese externen
Komponenten die Komplexität
in der Konstruktion und die Einschränkungen bei der Benutzung nur
vergrößern können. Weiterhin scheint
es keine Erläuterung
dahingehend zu geben, wie die einzelnen Zellen mit Brennstoff- und
Oxidationsmittelgasen verbunden werden, während die Fähigkeit beibehalten werden
soll, sie einzeln zu entfernen.
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Somit
wird ersichtlich, dass es ein Bedürfnis für eine vereinigte Festoxid-Brennstoffzelle gibt,
die in einem Brennstoffzellenstapel lösbar installiert sein kann.
Weiterhin besteht ein Bedürfnis
für eine
vereinigte Zelle, die aus einem Brennstoffzellenstapel heraus ausgetauscht
werden kann, ohne das Leistungsvermögen des gesamten Stapels zu
beeinträchtigen, wie
beispielsweise durch Beschädigen
angrenzender Zellen. Ein weiteres Bedürfnis besteht für eine vereinigte
Zelle, die in einer elektrischen Reihen- und/oder Parallelverbindung
mit anderen Brennstoffzellen angeordnet werden kann. Eine einzelne
Brennstoffzelle und eine Brennstoffzellen-Stapelkonstruktion, die einfach und
kosteneffektiv ist, wird ebenfalls benötigt. Ein noch weiteres Bedürfnis besteht
für eine
einzelne Zelle und Brennstoffzellen-Stapelkonstruktion, die keine präzise Ausrichtung
von einer Zelle zur nächsten
erfordert, um so eine Fehlausrichtung des Gesamtstapels zu verhindern.
Mit anderen Worten, es wird eine Brennstoffstapelkonstruktion benötigt, die keine
präzise
Ebenheit von einer Zelle zur nächsten erfordert.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
wird eine vereinigte Brennstoffzelle bereitgestellt enthaltend eine
erste elektrisch leitfähige
Zwischenverbindung, die operativ mit einer Anode der Brennstoffzelle
verbunden ist, wobei die erste Zwischenverbindung einen ersten im wesentlichen
planaren Abschnitt und einen ersten Randabschnitt aufweist; eine
zweite elektrisch leitfähige
Zwischenverbindung, die operativ mit einer Kathode der Brennstoffzelle
verbunden ist, wobei die zweite Zwischenverbindung einen zweiten
im wesentlichen planaren Abschnitt und einen zweiten Randabschnitt
aufweist, wobei der zweite Randabschnitt gegenüber dem ersten Randabschnitt angeordnet
ist; einen Gaseinlass, der an wenigstens einem der ersten und zweiten
Randabschnitte befestigt ist, und einen Gasauslass, der an wenigstens
einem der ersten und zweiten Randabschnitte befestigt ist, wobei
der Gaseinlass und -auslass lösbar
an einem Gasverteiler befestigt sein können.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Festoxid-Brennstoffzellenstapel
eine Anzahl von vereinigten Festoxid-Brennstoffzellen, wobei wenigstens
eine vereinigte Brennstoffzelle (a) eine erste elektrisch leitfähige Zwischenverbindung, die
operativ mit einer Anode von der einen Brennstoffzelle verbunden
ist, wobei die erste leitfähige Zwischenverbindung
einen ersten im wesentlichen planaren Abschnitt und einen ersten
Randabschnitt aufweist; (b) eine zweite elektrisch leitfähige Zwischenverbindung,
die operativ mit einer Kathode von der einen Brennstoffzelle verbunden
ist, wobei die zweite leitfähige
Zwischenverbindung einen zweiten im wesentlichen planaren Abschnitt
und einen zweiten Randabschnitt aufweist, und wobei der zweite Randabschnitt
gegenüber
dem ersten Randabschnitt angeordnet ist, (c) eine erste Ausprägung auf
einem Abschnitt von wenigstens einem der ersten und zweiten Randabschnitt
ausgebildet ist, wobei die erste Ausprägung an einem ersten Rand von
der einen Brennstoffzelle angeordnet ist; und (d) eine zweite Ausprägung auf
einem Abschnitt von wenigstens einem der ersten und zweiten Randabschnitte
ausgebildet ist, wobei die zweite Ausprägung an einem zweiten Rand
von der einen Brennstoffzelle angeordnet ist; und eine Anzahl von
Gasverbindungen, die die ersten und zweiten Ausprägungen lösbar mit
einer Anzahl von Gasverteilern verbinden, wobei die vereinigten
Zellen in dem Brennstoffzellenstapel an geordnet sind, ohne aneinander
befestigt zu sein, so dass eine einzelne vereinigte Zelle entfernt
und in dem Brennstoffzellenstapel ausgetauscht werden kann.
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Diese
und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen, die Beschreibung
und Ansprüche
besser verständlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische
Ansicht von einer vereinigten Festoxid-Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 ist eine perspektivische
Teilansicht von der in 1 gezeigten
vereinigten Brennstoffzelle und die aufgeschnitten ist, um die innere
Struktur der Zelle zu zeigen;
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3 ist eine perspektivische
Ansicht von einer vereinigten Festoxid-Brennstoffzelle gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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4 zeigt einen Stapel von
vereinigten Brennstoffzellen in einer elektrischen Reihenverbindung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
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5 zeigt einen Stapel von
vereinigten Brennstoffzellen sowohl in elektrischer Reihen- als auch
Parallelverbindung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel
von einer vereinigten Festoxid-Brennstoffzelle 10,
die in einen Festoxid-Brennstoffstapel eingefügt werden kann, wie beispielsweise
denjenigen, der in den 4 und 5 gezeigt ist. Zwar geht
die vorliegende Erfindung vorzugsweise davon aus, dass jede der
vereinigten Zellen 10 in einem Stapel identisch sind, es ist
aber auch denkbar, dass die vereinigten Zellen 10 unterschiedlich
sind. Ferner werden zwar die Ausführungsbeispiele der Erfindung
in dem Kontext von Festoxid-Brennstoffzellen beschrieben, die Erfindung kann
jedoch auch im Kontext von anderen Typen von Brennstoffzellen verwendet
werden.
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Die
in 1 gezeigte vereinigte
Zelle 10 enthält
eine im wesentlichen ebene und rechtwinklige Elektrolytwand 16.
Die Wand 16 ist deshalb durch zwei Paare von gegenüberliegenden
Rändern
gebildet – einen
ersten Rand 17, der einem zweiten Rand 18 gegenüber liegt
und einem dritten Rand 19, der einem vierten Rand 20 gegenüber liegt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind jedoch auch andere Konfigurationen
als rechtwinklige möglich.
Die Elektrolytwand 16 ist mit einer Anodenschicht, einer
Kathodenschicht und einer sandwichartig dazwischen angeordneten
Elektrolytschicht (nicht gezeigt) aufgebaut. Die Dreischicht-Konstruktion
der Elektrolytwand 16 ist gemäß irgendeiner gut bekannten
Konstruktion aufgebaut. Beispiele einer derartigen Konstruktion
können
in den US-Patenten 5,256,499, 5,162, 167 und 4,913,982 gefunden
werden. Demgemäss
und wo die vereinigte Zelle 10 nach dem Festoxid-Brennstofftyp
aufgebaut, kann die Zusammensetzung der Anodenschicht, der Kathodenschicht
und der Elektrolytschicht gemäß irgendwelchen
bekannten Elementen sein. Beispielsweise kann die Anodenschicht
aus einem Nickel/YSZ Keramik-Metallgemisch hergestellt sein, während die
Kathodenschicht aus einem dotierten Lanthan-Manganit hergestellt sein
kann. Die Elektrolytschicht kann aus einem dichten Yttriumoxid-stabilisierten
Zirkonoxid hergestellt sein.
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Das
Verfahren zum Herstellen der Anodenschicht, der Kathodenschicht
und der Elektrolytschicht kann gleichfalls durch irgendein bekanntes Verfahren
erfolgen, wie beispielsweise Bandkalandern. Beispiele des Bandkalanderns
sind in den US-Patenten 5,286,322 und 5,162,167 beschrieben. Die
Dicken der drei Schichten können
variieren. In der Praxis jedoch können die Dicken der Schichten
in dem Bereich von etwa 0,00254 bis 0,254 mm (0,1 bis 100 Mils)
liegen.
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Unmittelbar
neben von und elektrisch fixiert an gegenüberliegenden planaren Oberflächen der Elektrolytwand 16 sind
erste und zweite Zellkomponenten 12, 25. In einem
Ausführungsbeispiel
sind die Zellkomponenten Abschnitte von zwei Elektroden, und in
einem anderen Ausführungsbeispiel
sind sie Abschnitte von zwei Zwischenverbindungen 11, 24, die
unten näher
beschrieben werden. In dem Fall, wo die ersten und zweiten Zellkomponenten 12, 25 Abschnitte
von Elektroden sind, weisen die ersten und zweiten Zellkomponenten 12, 25 eine
Anode und Kathode auf, die auf entsprechende Weise neben den Anoden-
und Kathodenschichten der Elektrolytwand 16 angeordnet
sind. Somit ist in diesem bestimmten Ausführungsbeispiel, wo die Anodenschicht
der Elektrolytwand 16 die Bodenschicht ist, wenn man 1 betrachtet, die Elektrode 12 die
Anode und die Elektrode 25 ist die Kathode. Trotzdem sollte
verständlich sein,
dass die Anoden/Kathoden-Orientierung, wie sie in 1 zu sehen ist, umgekehrt werden kann, wenn
die Orientierung der Elektrolytwand 16 umgekehrt wird.
Wie es in der Technik praktisch ausgeführt wird, können die Anode 12 und
die Kathode 25 aus den gleichen Materialien hergestellt
sein, die auf entsprechende Weise für die Anoden- und Kathodenschichten
in der Elektrolytwand 16 benutzt werden.
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Wie
oben ausgeführt
wurde, können
in einem anderen Ausführungsbeispiel
die Zellkomponenten 12, 25 Abschnitte von einer
ersten Zwischenverbindung 11 bzw. einer zweiten Zwischenverbindung 24 sein.
Eine derartige Konstruktion ist in der Technik bekannt und ist beispielsweise
in dem US-Patent 5,290,642 beschrieben. In einem derartigen Fall
sind die Zellkomponenten 12, 25 neben den Anoden-
und Kathodenschichten der Elektrolytwand 16 angeordnet.
Somit arbeiten die Anodenschicht und die Kathodenschicht der Elektrolytwand 16 als die
Anode bzw. Kathode. Die Zellkomponenten 12, 25 könnten dann
aus dem gleichen Material hergestellt sein, das für die Zwischenverbindungen 11, 24 verwendet
ist.
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Zwar
ist die Form von beiden Zellenkomponenten 12, 25 als
gewellt gezeigt, aber es können auch
andere Konfigurationen, wie beispielsweise Rippen und Streben, verwendet
werden. Weiterhin sind zwar die Zellenkomponenten 12, 25 mit
der gleichen Konfiguration gezeigt, aber im Rahmen der vorliegenden
Erfindung ist es auch denkbar, dass jede Komponente eine unterschiedliche
Konfiguration hat. Unabhängig
von den jeweiligen Konfigurationen der Komponenten 12, 25 bildet
jede Kanäle
für die
Strömung
von Gasen. Die Zellkomponente 12 bildet erste oder Brennstoffkanäle 13,
die sich von dem dritten Rand 19 zum vierten Rand 20 der
Elektrolytwand 16 erstrecken. Zweite oder Oxidationsmittelkanäle 21 sind
durch die Zellkomponente 25 gebildet, und sie erstrecken
sich zwischen den ersten und zweiten Rändern 17, 18 der
Elektrolytwand 16. Dadurch kann ein Gas oder Brennstoff 14 in
die Brennstoffkanäle 13 eintreten,
eine elektrochemische Reaktion durchlaufen, wie es in der Technik
bekannt ist, und dann die Brennstoffkanäle 13 als eine Brennstoff-Ausströmung 15 verlassen.
Zur gleichen Zeit kann ein Gas oder Oxidationsmittel 22 in
die Oxidationsmittel-Kanäle 21 eintreten,
eine elektrochemische Reaktion durch laufen und dann die Oxidationsmittel-Kanäle 21 als
ein Gas oder Oxidationsmittel-Ausströmung 23 verlassen.
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Die
ersten Kanäle 13 werden
auch teilweise durch einen ebenen bzw. planaren Abschnitt von der ersten
elektrisch leitfähigen
Zwischenverbindung 11 unmittelbar neben von und elektrisch
fixiert mit der ersten Zellenkomponente 12 gebildet. In ähnlicher Weise
werden die zweiten Kanäle 21 teilweise
durch einen ebenen bzw. planaren Abschnitt von der zweiten elektrisch
leitfähigen
Zwischenverbindung 24 unmittelbar neben von und elektrisch
fixiert mit der zweiten Zellenkomponente 25 gebildet. Wenn
man 1 betrachtet, dient
die erste Zwischenverbindung 11 als eine Bodenfläche von
der Zelle 10, während
die zweite Zwischenverbindung 24 als eine Deckfläche von
der Zelle 10 dient. Vorzugsweise sind beide Zwischenverbindungen 10, 24 eine
einstückige Konstruktion
und aus einem oxidationsbeständigen Metall
hergestellt, das beispielsweise auf Nickel-Chrom oder Eisen-Chrom
basiert sein kann. Bei einer derartigen Konstruktion können die
Zwischenverbindungen 11, 24 einen elektrischen
Strom von der einen Zelle 10 zur anderen in einem Stapel
von Zellen 10 leiten, wie es in der Technik bekannt ist.
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Die
ersten und zweiten Zwischenverbindungen 11, 24 sind
in dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
in der Größe ähnlich bemessen
und konfiguriert. Jede Zwischenverbindung 11, 24 enthält den im
wesentlichen planaren Abschnitt, der vorstehend erwähnt ist,
und einen Lippen- oder Kragenabschnitt, der an jedem der zwei gegenüberliegenden Ränder des
planaren Abschnittes angeordnet ist. Die Kragenabschnitte sind zueinander
gegenüberliegend angeordnet
und erstrecken sich im wesentlichen senkrecht von dem planaren Abschnitt 6 und
auch in Richtung auf die planaren Oberflächen der Elektrolytwand 16.
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Wie
am besten in 1 zu sehen
ist, hat der planare Abschnitt 34 von der zweiten Zwischenverbindung 24 eine
Breite, die im wesentlichen gleich derjenigen ist, die von den dritten
und vierten Rändern 19, 20 der
Elektrolytwand 16 gebildet ist. Die Länge des planaren Abschnittes 34 erstreckt
sich über
diejenige heraus, die von den gegenüberliegenden ersten und zweiten
Rändern 17, 18 der
Elektrolytwand 16 gebildet ist. Ein zweiter Kragenabschnitt 32 von
der zweiten Zwischenverbindung 24 kann in den 1 und 2 in der Weise gesehen werden, dass er
be nachbart zu und den ersten Rand 17 umschreibend ist.
In gleicher Weise befindet sich ein weiterer zweiter Kragenabschnitt 32 benachbart
von und den zweiten Rand 18 (1)
umschreibend. Wie bei der zweiten Zwischenverbindung 24 befindet
sich ein erster Kragenabschnitt 31 der ersten Zwischenverbindung 11 benachbart
von und den ersten Rand 17 umschreibend. Ein weiterer erster
Kragenabschnitt 31 ist in ähnlicher Weise neben dem zweiten
Rand 18 angeordnet und umschreibt diesen. Wenn die Kragenabschnitte 31, 32 nur
die ersten und zweiten Ränder 17, 18 der
Elektrolytwand 16 umschreiben, bleiben die dritten und
vierten Ränder 19, 20 freiliegend.
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Die
Kragenabschnitte formen in Kombination mit den entfernten Enden
der planaren Abschnitte der ersten und zweiten Zwischenverbindungen 11, 24 erste
und zweite Ausprägungen 27, 28.
Die Ausprägungen 27, 28 sind
an den ersten bzw. zweiten Rändern 17, 18 der
Elektrolytwand 16 angeordnet. Wie in den 1 und 2 gezeigt
ist, bildet die erste Ausprägung 27 einen
Freiraum, der gestattet, dass ein Oxidationsmittelgas, wie beispielsweise
Luft, in die vereinigte Zelle 10 durch einen Oxidationsmitteleinlass 29 eintritt,
in die erste Ausprägung 27 eintritt und
dann in die Oxidationsmittelkanäle 21 strömt. Die zweite
Ausprägung
bildet einen Freiraum, der gestattet, dass das Oxidationsmittelgas
die Oxidationsmittelkanäle 21 verlässt, in
die zweite Ausprägung 28 strömt und dann
die vereinigte Zelle 10 durch einen Oxidationsmittelauslass 30 verlässt.
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In
Bezug auf die Brennstoffgasströmung
in die vereinigte Zelle 10 hinein und aus dieser hinaus, wie
es oben beschrieben ist, ist die in 1 gezeigte vereinigte
Zelle 10 nur teilweise umschlossen. Die teilweise Umschließung ist
die Folge der ersten und zweiten Zwischenverbindungen 11, 24 und
insbesondere der Kragenabschnitte 31, 32, die
nur die ersten und zweiten Ränder 17, 18 der
Elektrolytwand 16 umschreiben. Derjenige Abschnitt der
vereinigten Zelle 10, der offen bleibt, befindet sich an
den dritten und vierten Rändern 19, 20 und
neben der Anode 12 und den Brennstoffkanälen 13.
Wenn die Brennstoffkanäle 13 offen
sind, wird für
den Fachmann deutlich, dass ein Verteiler verwendet werden kann,
um Brennstoff in die Brennstoffkanäle 13 hinein und aus diesen
heraus zu richten. Derartige Verteiler können direkt an der vereinigten
Zelle 10 befestigt sein und können so einfach wie eine Kammer
konstruiert sein. Alternativ kann die vereinigte Zelle 10 in
einer einzel nen Kammer eingeschlossen sein, die mit einem Brennstoffgas
gefüllt
ist, wodurch Brennstoff an die Brennstoffkanäle 13 geliefert wird.
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Um
die Oxidationsmittelkanäle 21 von
den Brennstoffkanälen 13 abzudichten,
ist ein Dichtungsmittel 26, wie es in 1 zu sehen ist, entlang dem ersten Rand 17 von
der Elektrolytwand 16 und neben der Zellenkomponente 25 angeordnet.
Wenn die Oxidationsmittelkanäle 21 von
den Brennstoffkanälen 13 abgedichtet
sind, verhindert dies ein Mischen von Brennstoff und Oxidationsmittel.
Ein ähnliches
Dichtungsmittel 26 ist entlang dem dritten Rand 19 von der
Elektrolytwand 16 angeordnet. Ein weiteres Paar von Dichtungsmitteln 26 (nicht
gezeigt) ist entlang den zweiten und vierten Rändern 18, 20 der
Elektrolytwand 16 neben der Zellenkomponente 12 angeordnet,
um ebenfalls zu helfen, das Mischen von Brennstoff und Oxidationsmittel
zu verhindern. Die Dichtungsmittel 26 können aus verschiedenen Materialien
hergestellt sein, wie beispielsweise Zement, Glas und Glaskeramik.
Bei Verwendung der vorstehenden Materialien können die Dichtungsmittel 26 durch
Verfahren, wie beispielsweise Füllen
oder Streichen, an der Elektrolytwand 16 befestigt werden.
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Für das Ausführungsbeispiel
der vereinigten Zelle 10, das in den 1 und 2 gezeigt
ist, dichtet eine Dichtungsmanschette 33 zwischen den ersten und
zweiten Kragenabschnitten 31, 32 die Freiräume der
ersten und zweiten Ausprägungen 27, 28 ab.
Die Dichtungsmanschette kann aus einem elektrisch isolierenden Material
hergestellt sein, wie beispielsweise Keramik oder Glas, um auch
eine Kurzschlussbildung zwischen den Zellenkomponenten 12, 25 zu verhindern.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der
vereinigten Zelle 10'.
Ein Hauptunterschied zwischen diesem Ausführungsbeispiel und dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht darin,
dass das erstere vollständig
umschlossen ist. Die vereinigte Zelle 10' enthält eine Elektrolytwand 16' mit einem ersten
Rand 17',
einem zweiten Rand 18',
einem dritten Rand 19' und
einem vierten Rand 20'.
Die Elektrolytwand 16' ist
zwischen der ersten Zellenkomponente 12' und der zweiten Zellenkomponente 25' angeordnet.
Jedoch erstreckt sich im Gegensatz zu dem obigen Ausführungsbeispiel
die Elektrolytwand 16' über die
Umfänge
der ersten und zweiten Zellenkomponenten 12', 25' der ersten und zweiten Zwischen verbindungen 11', 24' hinaus. Die Brennstoffkanäle 13' und Oxidationsmittelkanäle 21' werden durch
die erste Zellenkomponente 12' bzw. die zweite Zellenkomponente 25' gebildet. Ein
Dichtungsmittel 26' dichtet
die Bereiche der Brennstoffkanäle 13' an den ersten
und zweiten Rändern 17', 18'. Ein weiteres
Dichtungsmittel 26' dichtet
die Bereiche der Oxidationsmittelkanäle 21' an den dritten und vierten Rändern 19', 20'.
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In
diesem zweiten Ausführungsbeispiel schließen die
erste Zwischenverbindung 11' und
die zweite Zwischenverbindung 24' die Elektrolytwand 16' sandwichartig
ein, wobei sich die erste Zellenkomponente 12' und die zweite
Zellenkomponente 25' dazwischen
befinden. Jede Zwischenverbindung 11' und 24' enthält einen planaren Abschnitt
und einen Kragenabschnitt. Jedoch erstreckt sich anders als bei
dem ersten oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ein erster Kragenabschnitt 31' um den gesamten
Umfang von der ersten Zwischenverbindung 11' herum, während sich ein zweiter Kragenabschnitt 32' in ähnlicher
Weise um den gesamten Umfang von der zweiten Zwischenverbindung 24' herum erstreckt.
Dadurch sind eine erste Ausprägung 27', eine zweite
Ausprägung
(nicht gezeigt), eine dritte Ausprägung 43' und eine vierte Ausprägung (nicht gezeigt)
auf entsprechende Weise neben dem ersten Rand 17', dem zweiten
Rand 18',
dem dritten Rand 19' und
dem vierten Rand 20' gebildet.
Mit vier Ausprägungen
kann ein Oxidationsmitteleinlass 29', der mit der ersten Ausprägung 27' verbunden ist,
ein Oxidationsmittelgas in die Zelle 10' einführen, während ein Oxidationsmittelauslass 30', der an der
zweiten Ausprägung
befestigt ist, das Oxidationsmittel aus der Zelle 10' abführen kann.
Zusätzlich
und im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel kann ein Brennstoffeinlass 39', der mit einer
dritten Ausprägung
verbunden ist, ein Brennstoffgas in die Zelle 10' einführen, während ein
Brennstoffauslass 40',
der an der vierten Ausprägung
befestigt ist, den Brennstoff aus der Zelle 10' abgeben kann.
Die gesamte Zelle 10' wird
dann abgedichtet durch eine Dichtungsmanschette 33' zwischen den
ersten und zweiten Kragen 31', 32'. Die Dichtungsmanschette 33' isoliert auch elektrisch
die erste Zellenkomponente 12' von der zweiten Zellenkomponente 25'.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel
von einem Festoxid-Brennstoffzellenstapel 36. Der Brennstoffzellenstapel 36 weist
eine Anzahl von vereinheitlichen Zellen 10 auf, die in
einer elektrischen Reihenschaltung angeordnet sind. Als solche ist
die erste Zwischenverbindung 11 (nicht gezeigt) von der
oberen Zelle 10 (aus der Sicht von 4) in elektrischem Kontakt mit der zweiten
Zwischenverbindung 24 (nicht gezeigt) von der unteren Zelle 10.
An jeder Zelle 10 sind ein Einlass 29 und ein
Auslass 30 befestigt (beide können entweder für ein Oxidationsmittel
oder Brennstoff verwendet werden). Die Einlässe 29 sind lösbar an
einem ersten Verteiler 41 befestigt, der ein Gas, wie beispielsweise
ein Oxidationsmittel, zu den Zellen 10 bringt. In ähnlicher
Weise sind Einlässe 30 lösbar an
einem zweiten Verteiler 42 befestigt, der ein Gas, wie
beispielsweise ein Oxidationsmittel, aus den Zellen 10 abgibt.
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Elektrisch
isolierende Verbindungsglieder 37 dienen zum lösbaren Verbinden
der Einlässe 29 mit dem
ersten Verteiler 41 und sie verhindern auch eine Kurzschlussbildung.
In ähnlicher
Weise verbinden elektrisch isolierende Verbindungsglieder 37 die
Auslässe 30 mit
dem zweiten Verteiler 42 und verhindern eine Kurzschlussbildung.
Beispiele von geeigneten isolierenden Verbindungsgliedern 37 enthalten
Zirkonoxid und Aluminiumoxid.
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5 zeigt noch ein weiteres
Ausführungsbeispiel
von einem Festoxid-Brennstoffzellenstapel 36'. Der Brennstoffstapel 36' weist eine
Anzahl von vereinigten Zellen 10' auf, die in einer elektrischen Reihen/Parallel-Konfiguration
angeordnet sind. Die elektrische Reihenschaltung wird so wie in
dem obigen Beispiel gemäß 4 hergestellt. Die Einlässe 29' von dem einen
Satz von in Reihe geschalteten Zellen 10 können lösbar an
einem Eingangsverteiler (nicht gezeigt) befestigt werden, während die
Auslässe 30' von dem anderen
Satz von in Reihe geschalteten Zellen 10 lösbar an
einem Ausgangsverteiler (nicht gezeigt) befestigt sein können. Die
Auslässe 30' von dem ersten
Satz von in Reihe verbundenen Zellen 10 sind lösbar an
den Einlässen 29' von dem anderen
Satz von Zellen 10 befestigt. Elektrisch isolierende Verbindungsglieder 38 verbinden
die Auslässe 30' mit den Einlässen 29'. Beispiele
von geeigneten isolierenden Verbindungsgliedern 38 enthalten Zirkonoxid
und Aluminiumoxid.
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Wie
für den
Fachmann erkennbar ist, stellt die vorliegende Erfindung eine vereinigte
Festoxid-Brennstoffzelle dar, die lösbar in einen Brennstoffzellenstapel
eingebaut werden kann. Weiterhin wird eine vereinigte Zelle bereitgestellt,
die aus einem Brennstoffzellenstapel ausgetauscht werden kann, ohne
die Leistungs fähigkeit
des gesamten Stapels zu beeinträchtigen,
wie beispielsweise durch Beschädigen
angrenzender Zellen. Die vorliegende Erfindung stellt auch eine
vereinigte Zelle bereit, die in elektrischer Reihen- und/oder Parallelschaltung mit
anderen Brennstoffzellen angeordnet sein kann. Es wird auch eine
einzelne Brennstoffzelle und eine Brennstoffzellen-Stapelkonstruktion
bereitgestellt, die einfach und kosteneffektiv ist. Die einzelne
Zelle und die Brennstoffzellen-Stapelkonstruktion gemäß der vorliegenden
Erfindung erfordern keine präzise Ebenheit
von einer Zelle zur nächsten.
Zusätzlich wird
durch die vorliegende Erfindung ein relativ dünnes Konstruktionsprofil bereitgestellt.