DE60008577T2 - Vereinigte Festoxid-Brennstoffzelle - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen, die Beschreibung und Ansprüche besser verständlich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht von einer vereinigten Festoxid-Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 ist eine perspektivische Teilansicht von der in 1 gezeigten vereinigten Brennstoffzelle und die aufgeschnitten ist, um die innere Struktur der Zelle zu zeigen;
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht von einer vereinigten Festoxid-Brennstoffzelle gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 4 zeigt einen Stapel von vereinigten Brennstoffzellen in einer elektrischen Reihenverbindung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
  • 5 zeigt einen Stapel von vereinigten Brennstoffzellen sowohl in elektrischer Reihen- als auch Parallelverbindung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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'.
  • 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'.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (7)

  1. Vereinigte Brennstoffzelle (10) enthaltend: eine erste elektrisch leitfähige Zwischenverbindung (11), die operativ mit einer Anode (12) der Brennstoffzelle (10) verbunden ist, wobei die erste Zwischenverbindung (11) einen ersten im wesentlichen planaren Abschnitt und einen ersten Randabschnitt (31) aufweist, eine zweite elektrisch leitfähige Zwischenverbindung (24), die operativ mit einer Kathode (25) der Brennstoffzelle (10) verbunden ist, wobei die zweite Zwischenverbindung (24) einen zweiten im wesentlichen planaren Abschnitt (34) und einen zweiten Randabschnitt (32) aufweist, wobei der zweite Randabschnitt (32) gegenüber dem ersten Randabschnitt (31) angeordnet ist, einen Gaseinlass (29), der an wenigstens einem der ersten und zweiten Randabschnitte (31, 32) befestigt ist, und einen Gasauslass (30), der an wenigstens einem der ersten und zweiten Randabschnitte (31, 32) befestigt ist, wobei der Gaseinlass und -auslass (29, 30) lösbar an einem Gasverteiler befestigt sein können.
  2. Zelle (10) nach Anspruch 1, ferner eine erste Ausprägung (27) enthaltend, sie durch wenigstens eine der ersten und zweiten Zwischenverbindungen (11, 24) gebildet ist.
  3. Zelle (10) nach Anspruch 1 und/oder 2, ferner eine Isoliermanschette (33) enthaltend, die zwischen den ersten und zweiten Randabschnitten (31, 32) angeordnet ist.
  4. Zelle (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Randabschnitt (31) an einem ersten Rand der Brennstoffzelle (10) angeordnet ist und der zweite Randabschnitt (32) an einem zweiten Rand der Brennstoffzelle (10) angeordnet ist, wobei die ersten und zweiten Ränder auf gegenüber liegenden Rändern der Brennstoffzelle (10) sind.
  5. Zelle (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei die ersten und zweiten Randabschnitte (31, 32) sich um nur einen Teil der Brennstoffzelle (10) erstrecken.
  6. Zelle (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei die ersten und zweiten Randabschnitte (31, 32) sich um die Gesamtheit der Brennstoffzelle (10) erstrecken.
  7. Zelle (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, wobei ferner eine zweite Ausprägung (28) vorgesehen ist, die durch einen Abschnitt von wenigstens einer der ersten und zweiten Zwischenverbindungen (11, 24) gebildet ist.
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