DE60220608T2

DE60220608T2 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE60220608T2
Application number: DE60220608T
Authority: DE
Inventors: Michio Nagano-shi Horiuchi; Shigeaki Nagano-shi Suganuma; Misa Nagano-shi Watanabe; Shuji Nagano-shi Yamazaki
Original assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: JP3860733B2; US20030054222A1; US7005207B2; EP1294036A2; DE60220608D1; EP1294036B1; CA2402810A1; EP1294036A3; JP2003092124A

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere eine Brennstoffzelle, die einen Behälter mit einer Einlassöffnung bzw. Einlassöffnungen für ein Brenngasgemisch, das ein Brenngas, wie Methan, und Sauerstoff enthält, und mit einer Auslassöffnung bzw. Auslassöffnungen für ein Abgas umfasst, und die ein Element bzw. Elemente für die Brennstoffzelle enthält.
Von einer Brennstoffzelle kann eine hohe Leistung bei der Stromerzeugung erwartet werden, verglichen zur Stromerzeugung in einem Wärmekraftwerk, was momentan von vielen Wissenschaftlern untersucht wird.
Wie in 4 dargestellt, weist eine derartige konventionelle Brennstoffzelle ein Element 106 als Brennstoffzelle auf, wobei dieses Element als eine Festkörperelektrolytschicht 100 nach Art der Sauerstoff-Ionenleitung einen gebrannten Körper aus stabilisiertem Zirkonium verwendet, dem Yttrium (Y₂O₃) hinzugefügt wird, wobei die Festkörperelektrolytschicht 100 eine Seite aufweist, an der eine Kathodenschicht 102 ausgebildet ist sowie eine zweite Seite, an der eine Anodenschicht 104 ausgebildet ist. Sauerstoff bzw. ein Sauerstoff enthaltendes Gas wird der Seite der Kathodenschicht 102 des Brennstoffzellenelements 106 zugeführt, und ein Brenngas, wie Methan, wird der Seite der Anodenschicht 104 zugeführt.
Der der Seite der Kathodenschicht 102 des Brennstoffzellenelements 106 zugeführte Sauerstoff (O₂) wird an der Grenze zwischen der Kathodenschicht 102 und der Festkörperelektrolytschicht 100 zu Sauerstoffionen (O^2–) ionisiert und die Sauerstoffinne werden über die Elektrolytschicht 100 zur Anodenschicht 104 geleitet. Die zur Anodenschicht 104 geleiteten Sauerstoffinne reagieren mit dem der Anodenseite 104 zugeführten Methan (CH₄)-Gas, um dadurch Wasser (H₂O), Kohlendioxid (CO₂), Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO) zu bilden. Während der Reaktion lösen die Sauerstoffinne Elektronen, was zu einer Potentialdifferenz zwischen der Kathodenschicht 102 und der Anodenschicht 104 führt. Folglich verlaufen, indem eine elektrische Verbindung zwischen der Kathodenschicht 102 und der Anodenschicht 104 über einen Zuleitungsdraht 108 hergestellt worden ist, die Elektronen der Anodenschicht 104 durch den Zuleitungsdraht 108 in Richtung Kathodenschicht 102, und die Brennstoffzelle kann Elektrizität produzieren.
Die in 4 dargestellte Brennstoffzelle wird bei einer Temperatur von ca. 1000°C betrieben. Bei einer derart hohen Temperatur wird die Seite der Kathodenschicht 102 der Brennstoffzelle einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt und die Seite der Anodenschicht 104 wird einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt. Folglich ist es schwierig, die Betriebsdauer des Elements 106 zu verlängern.
In Science, Bd. 288, s. 2031-2033 (2000) wird berichtet, dass, wie in 5 gezeigt, selbst dann, wenn ein Brennstoffzellenelement 206 bestehend aus einer Festkörperelektrolytschicht 200 und einer Kathodenschicht 202 und einer Anodenschicht 204, die jeweils auf einer und einer anderen Seite der Elektrolytschicht 200 gebildet sind, in einem Brenngasgemisch aus Methan und Sauerstoff angeordnet ist, das Brennstoffzellenelement 206 eine elektromotorische Kraft entwickelt.
Durch Anordnen des Elements 206 in einem Brenngasgemisch, wie bei der in 5 dargestellten Brennstoffzelle, kann das Element 206 als Ganzes von im wesentlichen der gleichen Atmosphäre umgeben sein und kann, verglichen zu dem in 4 gezeigten Element, bei dem die jeweiligen Seiten des Elements 106 Atmosphären ausgesetzt sind, die sich voneinander unterscheiden, eine erhöhte Betriebsdauer aufweisen.
Dennoch wird, da ein Brenngasgemisch aus Methan und Sauerstoff der in 5 gezeigten Brennstoffzelle bei einer hohen Temperatur von ca. 1000°C zugeführt wird, das Brenngasgemisch so angepasst, dass es Sauerstoff mit einer Konzentration enthält, die geringer ist als die Zündgrenzenkonzentration (untere Zündgrenze) von Sauerstoff für das Gemisch aus Methan und Sauerstoff (eine Konzentration aus Methan, die die Zündgrenzenkonzentration (obere Zündgrenze) von Methan für das Gemisch aus Methan und Sauerstoff übersteigt), bevor es der Brennstoffzelle zugeführt wird, um Explosionsgefahr zu vermeiden.
Aus diesem Grund ist bei dem der Brennstoffzelle zugeführten Brenngasgemisch die Sauerstoffmenge für den Brennstoff, wie Methan, für eine vollständige Verbrennung zu gering und der Brennstoff kann verkohlen, wodurch die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle reduziert wird.
Die US 5 094 928 offenbart einen Brennstoffzellenstapel, dem ein Brennstoff/Oxidationsgemisch zugeführt wird, wobei der Stapel in einem Paket enthalten ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Brennstoffzelle zu schaffen, die ein Brenngasgemisch aus einem Brennstoff, wie Methan, und Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration verwenden kann, die auf ein Niveau angehoben worden ist, bei dem die Verkohlung des Brennstoffs verhindert werden kann, während eine Explosion des Gasgemisches verhindert wird.
Hierfür haben die Erfinder erwogen, dass die explosionssichere Struktur des Raumes, wenn er anders ist als ein Brennstoffzellenelement bzw. Elemente in einem Behälter einer Brennstoffzelle, signifikant ist und haben folglich herausgefunden, dass die Explosion eines Brenngasgemisches vermieden werden kann, indem der Zwischenraum mit Füllmaterialien so gefüllt wird, dass ein Spalt zwischen den benachbarten Füllmaterialien vorhanden ist und/oder das Füllmaterial einen Spalt aufweist, in dem das Brenngasgemisch selbst dann nicht entzündet werden kann, wenn das Brenngasgemisch eine Brenngaskonzentration innerhalb der Zündgrenzen aufweist.
Somit umfasst die Erfindung eine Brennstoffzelle, mit einem Behälter mit wenigstens einer Einlassöffnung und wenigstens einer Auslassöffnung und einem Stapel von Brennstoffzellenelementen, die so in dem Behälter enthalten sind, dass die Umfangsflächen des Stapels von Brennstoffzellenelementen und die Innenflächen des Behälters kontaktiert sind, wobei das Element eine Kathodenschicht, eine Anodenschicht und eine Elektrolytschicht umfasst, wobei die Elektrolytschicht zwischen der Kathoden- und der Anodenschicht angeordnet ist, und wobei ein Brennstoffgas und Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch der Brennstoffzelle über die Einlassöffnung zugeführt wird und wobei ein Abgas über die Auslassöffnung abgeführt wird, wobei in jeden der Zwischenräume zwischen der Einlassöffnung und dem Stapel von Brennstoffzellenelementen und zwischen dem Stapel von Brennstoffzellenelementen und der Auslassöffnung Füllmaterialien eingefüllt sind, und wobei ein Spalt zwischen den benachbarten Füllmaterialien vorgesehen ist, in dem das Brenngasgemisch bei dem Betriebszustand der Brennstoffzelle selbst dann nicht gezündet werden kann, wenn das Brenngasgemisch eine Sauerstoffkonzentration innerhalb der Zündgrenzen für das Brenngasgemisch aufweist.
Vorzugsweise ist der Spalt zwischen den benachbarten Füllmaterialien kleiner als der Quenchabstand für das Brenngasgemisch mit einer Sauerstoffkonzentration innerhalb der Zündgrenzen.
Noch besser ist es, wenn der maximale Spalt zwischen den Füllmaterialien dem Quenchdurchmesser für das Brenngasgemisch gleich bzw. kleiner als dieser ist.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle kann eine Heizvorrichtung zum Aufheizen eines Teils der Brennstoffzelle vorgesehen sein, in dem der Stapel von Brennstoffzellenelementen enthalten ist, und es kann eine Kühleinrichtung vorgesehen sein, um die Zwischenräume der Brennstoffzelle zu kühlen, die mit den Füllmaterialien gefüllt sind.
Vorzugsweise ist das Füllmaterial ein Pulverteilchen, ein poröser Körper oder eine kleine Röhre aus Metall oder einer Keramik, die bei den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle stabil ist.
Noch besser ist es, wenn das Füllmaterial ein Pulverteilchen mit einem Durchmesser von 50 bis 1,000 Mikrometern, oder ein poröser Körper mit einer offenen Porosität von 50% oder mehr, oder eine Röhre mit einem Innendurchmesser von 100 bis 200 Mikrometern ist.
Die Röhren können so in die Zwischenräume eingebracht sein, dass sie in Strömungsrichtung des Brenngasgemisches angeordnet sind.
Alternativ dazu können die Röhren willkürlich in die Zwischenräume eingebracht sein.
Das Füllmaterial kann aus einem Metall gebildet sein, das aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Te, Co, Ni, Cu, Al, Mo, Rh, Pd, Ag, W, Pt und Au oder einer Legierung von zwei oder mehreren daraus ausgewählt ist, oder es kann aus einer Keramik gebildet sein, die aus einem oder mehreren aus der Gruppe bestehend aus Mg, Al, Si und Zr ausgewählt ist.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist der Stapel der Brennstoffzellenelemente aus den Brennstoffzellenelementen gebildet, die so gestapelt sind, dass sich die Kathodenschicht eines Elements und die Anodenschicht eines anderen Elements direkt berühren.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind zumindest die Kathoden- und die Anodenschicht des Stapels von Brennstoffzellenelementen porös, und der Stapel von Brennstoffzellenelementen ist so im Behälter enthalten, dass die Schichten des Stapels von Brennstoffzellenelementen parallel zur Strömungsrichtung des von einem Zwischenraum zum anderen strömenden Brenngasgemisches verlaufen.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Kathoden-, Anoden- und Elektrolytschichten des Stapels von Brennstoffzellenelementen porös und der Stapel von Brennstoffzellenelementen ist so im Behälter enthalten, dass die Schichten des Sta pels von Brennstoffzellenelementen senkrecht zur Strömungsrichtung des von einem Zwischenraum zum anderen strömenden Brenngasgemisches verlaufen.
Vorzugsweise weisen die porösen Schichten eine offene Porosität auf, die gleich oder größer als 20% oder besser 30 bis 70% und am besten 40 bis 50% ist.
Vorzugsweise ist die Kathodenschicht aus einer Manganit-, Gallat- oder Cobaltitverbindung mit Lanthan gebildet, der ein Element aus der Gruppe III des Periodensystems hinzugefügt wird.
Vorzugsweise ist die Anodenschicht aus einem Körper gebildet, der Nickel, Cermet oder Platin trägt, dem ein die Elektrolytschicht bildendes Elektrolyt hinzugefügt wird.
Ferner ist die Elektrolytschicht vorzugsweise auch aus einem Zirkonium gebildet, das teilweise durch ein Element aus der Gruppe III des Periodensystems stabilisiert ist, bzw. durch ein Zeroxid, das mit Lanthanid dotiert ist.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Brennstoffzelle ein einzelnes Brennstoffzellenelement anstelle des Stapels von Brennstoffzellenelementen umfassen.
Die vorstehenden und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden einer Person mit durchschnittlichem Fachwissen anhand der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, wobei:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist;
2 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist;
3 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist;
4 eine Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik zeigt; und
5 einen neuen Brennstoffzellentyp zeigt, über den kürzlich berichtet worden ist.
1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. Diese Brennstoffzelle umfasst einen Behälter 20 mit einem rechtwinkligen, kreisförmigen oder dergl. Querschnitt und mit einer Vielzahl von Einlassöffnungen 23 und einer Vielzahl von Auslassöffnungen 24, wobei jede der Einlassöffnungen 23 mit einer Zuführleitung 23a und jede der Auslassöffnungen 24 mit einer Ausströmleitung 25a verbunden ist, und mit einem Stapel einer Vielzahl von im Behälter 20 enthaltenen Baukasten-Brennstoffzellenelementen 16. Ein Brenngasgemisch, das einen Brennstoff, wie Methan, und Sauerstoff enthält, wird dem Behälter durch die Einlassöffnungen 23 zugeführt, und Abgas wird aus dem Behälter durch die Auslassöffnungen 24 abgeführt, wobei zwei Brennstoffzellenelementen 16 bezeichnet sind.
Der Behälter 20 besteht aus einem hitzebeständigen Material, wie z.B. einer Keramik, das einer Temperatur von bis zu ca. 1200°C widerstehen kann, um ausreichende Hitzebeständigkeit bei einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle aufzuweisen.
Jedes der den Stapel von Brennstoffzellenelementen bildenden Elements 16 umfasst eine Festelektrolytschicht 10 mit einer dichten Struktur und eine poröse Kathodenschicht 12 und eine poröse Anodenschicht 14, die an den jeweiligen Seiten der Festelektrolytschicht 10 gebildet sind. Die Anodenschicht 14 des Elements 16 ist direkt mit der Kathodenschicht 12 des benachbarten Elements 16 verbunden, um den Stapel der Vielzahl von Brennstoffzellenelementen zu bilden. Durch den Stapel von Elementen 16 in der Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität wird unter Verwendung von (nicht dargestellten) Leitungen abgenommen, die mit den jeweils äußersten Schichten (d.h. der oberen Kathodenschicht 12 und der unteren Anodenschicht 14) des Stapels verbunden sind.
Die Festelektrolytschicht 10, die für die Herstellung jedes der in 1 gezeigten Elemente 16 verwendet wird, ist ein Sauerstoff-Ionen-Leiter und ist aus Zirkoniumoxid (Zirkonoxid) gebildet, das teilweise durch ein Element der Gruppe III des Periodensystems, wie Yttrium (Y) oder Scandium (Sc) oder ein Zeroxid, das zum Beispiel mit Samarium (Sm) oder Gadolinium (Gd) dotiert ist, stabilisiert wird. Die Elektrolytschicht kann porös oder nichtporös sein.
Die Kathodenschichten 12 bestehen aus Manganit-, Gallat- oder Cobaltitverbindungen mit Lanthan, denen ein Element aus der Gruppe III des Periodensystems, wie z.B. Strontium (Sr), hinzugefügt wird. Die Anodenschichten 14 bestehen aus einem Körper, der Nickel, Cermet oder Platin trägt, dem 10-30 Gew.-% eines die Festelektrolytschicht 10 bildenden Elektrolyts hinzugefügt werden. Die aus derartigen Materialien gebildeten Kathodenschichten 12 und die Anodenschichten 14 sind porös und weisen vorzugsweise eine offene Porosität auf, die gleich oder größer als 20%, eher 30 bis 70% und am besten 40 bis 50% ist.
Der in 1 gezeigte Stapel von Brennstoffzellenelementen 16 kann hergestellt werden, indem unbearbeitete Folien für die Kathodenschicht und die Anodenschicht an den jeweiligen Seiten einer vorgebrannten Festelektrolytschicht 10 angeordnet werden, oder indem Kleber für die Kathodenschicht und die Anodenschicht an den jeweiligen Seiten einer vorgebrannten Festelektrolytschicht aufgebracht werden, und indem die Anordnung aus unbearbeiteten Folien oder Klebern und die vorgebrannte Festelektrolytschicht miteinander gebrannt werden.
Der Stapel von Brennstoffzellenelementen 16 kann erhalten werden, indem eine erforderliche Anzahl von Anordnungen aus unbearbeiteten Folien oder Klebern und die vorgebrannte Festelektrolytschicht gestapelt und miteinander gebrannt werden. Alternativ dazu kann der Stapel von Brennstoffzellenelementen erhalten werden, indem eine erforderliche Anzahl von gebrannten Anordnungen gestapelt und dadurch integriert wird.
Die bei der in 1 gezeigten Brennstoffzelle verwendeten Kathodenschichten 12 und die Anodenschichten 14 sind porös und folglich kann ein durch die Zuführleitungen 23a zugeführtes Brenngasgemisch durch sie hindurchlaufen. Um den Vorteil daraus nutzen zu können, ist der Stapel von Brennstoffzellenelementen 16 der in 1 gezeigten Brennstoffzelle im Behälter 20 so enthalten, dass die Kathodenschichten 12 und die Anodenschichten 14 parallel zur Strömungsrichtung des durch die Zuführleitungen 23a zugeführten Brenngasgemisches verlaufen. Damit das dem Behälter 20 zugeführte Gasgemisch durch die Kathodenschichten 12 und die Anodenschichten 14 strömt, ohne sie zu umgehen, werden alle oder wenigstens ein Teil der Außenflächen des Stapels aus Brennstoffzellenelementen 16 in engen Kontakt mit den Innenflächen des Behälters 20 gebracht und das dem Behälter 20 zugeführte Gasgemisch wird daran gehindert, den Stapel durch die Spalten zwischen den Innenflächen des Behälters und den Außenflächen des Stapels zu umgehen. Ein Material mit geringer Porosität, wie Aluminiumzement oder Glas mit höherem Schmelzpunkt, kann zum Abdichten des Spalts zwischen den Innenflächen des Behälters und den Außenflächen des Stapels nach Wunsch verwendet werden.
Der Behälter 20 weist Zwischenräume 22 und 24 jeweils zwischen den Einlassöffnungen 23 und dem Stapel von Brennstoffzellenelementen 16 und zwischen dem Stapel von Elementen 16 und den Auslassöffnungen 24 auf. Wenn diese Zwischenräume 22, 24 leer sind, ist es erforderlich, dass die Sauerstoffkonzentration in einem Brenngasgemisch unter der Zündgrenzenkonzentration (untere Zündgrenze) von Sauerstoff für die Gasgemischkonzentration (eine Konzentration aus Brenngas, wie Methan, liegt über der Zündgrenzenkonzentration (obere Zündgrenze) des Brenngases für das Gasgemisch) liegt, um ein Zünden des Brenngasgemisches bei einer hohen Temperatur, ca. 1000°C, zu verhindern, mit der die Brennstoffzelle betrieben wird.
Wird ein Gasgemisches mit einer geringen Sauerstoffkonzentration als ein dem Stapel von Brennstoffzellenelementen 16 zuzuführendes Gasgemisch verwendet, kann das Brenngas, wie Methan, im Gasgemisch verkohlen, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle reduziert wird. Andererseits, wenn das Gasgemisch eine Sauerstoff konzentration aufweist, bei der das Brenngas nicht verkohlt, befindet sich die Gasgemischverbindung im Zwischenraum 22 innerhalb der Zündgrenze, wodurch die Explosionsgefahr erheblich erhöht wird.
Bei der in 1 dargestellten Brennstoffzelle sind Füllmaterialien 26 in die Zwischenräume 22, 24 so eingefüllt, dass ein Spalt zwischen den benachbarten Füllmaterialien besteht, in dem das Gasgemisch bei dem Betriebszustand der Brennstoffzelle selbst dann nicht gezündet werden kann, wenn das Brenngasgemisch eine Sauerstoffkonzentration (oder Brenngaskonzentration) innerhalb der Zündgrenzen aufweist.
Insbesondere sind die Füllmaterialien 26 so eingefüllt, dass der Spalt zwischen den benachbarten Füllmaterialien kleiner ist als der Quenchabstand für das Gasgemisch mit einer Konzentration innerhalb der Zündgrenzen. Folglich kann, selbst wenn das dem Behälter 20 zugeführte Brenngasgemisch eine erhöhte Sauerstoffkonzentration aufweist, bei der das Brenngasgemisch gezündet wird, die Zündung innerhalb der Zwischenräume 22, 24 vermieden werden.
Der hier verwendete „Quenchabstand" ist im Chemical Handbook, Basic Edition II, 2. Ausgabe, herausgegeben von der Japanese Chemical Association, S. 407, 15. April 1987 definiert und bedeutet einen Mindestabstand zwischen Elektroden, bei dem ein Gasgemisch gezündet werden kann. Bei einem Abstand, der kleiner ist als der Mindestabstand, tritt keine Zündung auf, es wird jedoch eine große Energie an ein Gasgemisch abgegeben. Der Quenchabstand variiert je nach der Sauerstoffkonzentration, dem Druck etc. eines Gasgemisches und somit ist es vorzuziehen, dass der Quenchabstand für das Gasgemisch in den Zwischenräumen 22, 24 vorab bei den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle experimentell bestimmt wird.
Die Spalten zwischen den in die Zwischenräume 22, 24 eingefüllten Füllmaterialien sind nicht einheitlich und weisen eine Verteilung auf. Daher kann der Fall auftreten, bei dem, obwohl die Spalten zwischen den Füllmaterialien durchschnittlich kleiner sind als der Quenchabstand eines Gasgemisches in den Zwischenräumen 22, 24, einige der Spalten größer sind als der Quenchabstand. In diesem Fall kann die Zündung des Gasgemisches zu Detonation führen, und die Detonation kann selbst dann verhindert werden, wenn das Gasgemisch entzündet ist, indem der maximale Spalt zwischen den Füllmaterialien 26 auf einen Abstand begrenzt wird, der dem Quenchabstand für das Brenngasgemisch gleich oder der kleiner als dieser ist, bei dem die Detonation des Gasgemisches in den Zwischenräumen 22, 24 der Brennstoffzelle behindert werden kann. Der hier verwendete „Quenchabstand" meint einen kritischen Durchmesser einer Röhre, der, sofern er unterschritten wird, die durch die Zündung eines Gasgemisches erzeugte Verbrennungswelle, die aus der Röhre herausgeblasen wird, nicht in die Röhre zurückkehren (zurückschlagen) lässt und ist beschrieben z.B. in Bernard Lewis and Guenther von Elbe, Combustion, Flames and Explosions of Gases, 3. Ausgabe, Academic Press, Inc., S. 240 (1987). Beispielsweise beträgt der Quenchabstand eines Gasgemisches aus Methan und Sauerstoff 0,1 bis 3 Millimeter.
Als Füllmaterial 26, das in die Zwischenräume 22, 24 der in 1 gezeigten Brennstoffzelle einzufüllen ist, kann ein Pulverteilchen, ein poröser Körper oder eine kleine Röhre aus einem Metall oder einer Keramik, die bei den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle stabil ist, verwendet werden.
Ein derartiges Pulverteilchen, poröser Körper oder kleine Röhre kann aus einem Metall geformt sein, das aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Te, Co, Ni, Cu, Al, Mo, Rh, Pd, Ag, W, Pt und Au oder einer Legierung von zwei oder mehreren daraus ausgewählt ist, oder kann aus einer Keramik gebildet sein, die aus einem oder mehreren aus der Gruppe bestehend aus Mg, Al, Si und Zr ausgewählt ist.
Vorzugsweise weist das Pulverteilchen einen Durchmesser von 50 bis 1,000 Mikrometern auf, und der poröse Körper hat eine offene Porosität von 50% oder mehr. Als kleine Röhre kann vorzugsweise eine Röhre mit einem Innendurchmesser von 100 bis 200 Mikrometern verwendet werden. Es können lange Röhren in die Zwischenräume 22, 24 eingeführt werden, die in Strömungsrichtung des Gasgemisches anzu ordnen sind, bzw. können kurze Röhren willkürlich in die Zwischenräume 22, 24 eingeführt werden.
Darüber hinaus kann das Füllmaterial in die Zuführleitungen 23a eingefüllt werden, um die Zündung des der Brennstoffzelle zugeführten Gasgemisches darin zu verhindern.
Bei der in 1 dargestellten Brennstoffzelle wird das Gasgemisch durch eine Vielzahl von Zuführleitungen 23a eingeführt. Durch gesondertes Zuführen des Gasgemisches zur Brennstoffzelle auf diese Weise kann die Zündung des Gasgemisches in der Zuführleitung 23a größtenteils verhindert werden.
Das dem Zwischenraum 22 des Behälters 20 zugeführte Gasgemisch strömt durch die Spalten zwischen den darin eingefüllten Füllmaterialien 26, um den Stapel von Brennstoffzellenelementen 16 zu erreichen und fließt durch die Kathodenschichten 12 und die Anodenschichten 14 zum Zwischenraum 24. Währenddessen dringt das Gasgemisch in die Poren der Kathodenschichten 12 und der Anodenschichten 14 ein und erreicht die Oberfläche der Festelektrolytschichten 10. Eine entzündbare Gaskomponente, wie Methan, des Gasgemisches, das die Oberfläche der Festelektrolytschicht 10 erreicht hat, reagiert elektrochemisch mit Sauerstoff-Ionen, die die Festelektrolytschicht 10 durchlaufen haben, um Wasser (H₂O), Kohlendioxid (CO₂), Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO) zu bilden, während Elektronen aus den Sauerstoff-Ionen gelöst werden. Während sich das Gasgemisch zum Zwischenraum 24 bewegt, nimmt sein Sauerstoffgehalt ab und sein Gehalt an Wasser, Kohlendioxid, Wasserstoff und Kohlenmonoxid nimmt zu. Das dadurch gebildete Wasser, Kohlendioxid, Wasserstoff und Kohlenmonoxid wird durch die Abführleitungen 24a aus dem Zwischenraum 24 abgeführt.
Obwohl sich der Sauerstoffgehalt, wie vorstehend erwähnt, verringert, während das Gasgemisch durch die Kathodenschichten 12 und die Anodenschichten 14 zum Zwischenraum 24 strömt, ist es möglich, dass das in den Zwischenraum 24 eintretende Gasgemisch immer noch eine Sauerstoffkonzentration innerhalb der Zündgrenzenkonzentration (untere Zündgrenze) von Sauerstoff für das Gasgemisch aufweist. Folglich ist es erforderlich, dass der Zwischenraum 24, wie der Zwischenraum 22, ebenfalls mit den Füllmaterialien 26 gefüllt wird, um eine explosionssichere Struktur zu erhalten.
Als Gasgemisch, das der in 1 dargestellten Brennstoffzelle zuzuführen ist, kann vorzugsweise ein Gasgemisch aus einem brennbaren Gas, wie Wasserstoff, Methan, Ethan, Propan oder Butan oder eine Mischung daraus und Luft verwendet werden.
Bei der in 1 dargestellten Brennstoffzelle ist, da die das Brennstoffzellenelement 16 ausmachende Festelektrolytschicht 10 eine dichte Struktur aufweist, der Stapel von Brennstoffzellenelementen 16 im Behälter 20 so enthalten, dass die Kathodenschichten 12 und die Anodenschichten 14, die ebenfalls die Brennstoffzellenelemente 16 ausmachen, parallel zur Strömungsrichtung des dem Behälter 20 durch die Zuführleitungen 23a zugeführten Gasgemisches verlaufen, wodurch die Kathodenschichten 12 und die Anodenschichten 14, die poröse Schichten sind, zu Durchgängen für das Gasgemisch werden. Bei diesem Brennstoffzellentyp ist es schwierig, zwischen den Umfangsflächen des Stapels von Brennstoffzellenelementen 16 und den Innenflächen des Behälters 20 abzudichten.
Wie in 2 dargestellt, kann die Brennstoffzelle leicht zwischen den Umfangsflächen des Stapels von Brennstoffzellenelementen 40 und den Innenflächen des Behälters 20 abgedichtet werden, indem der Stapel von Brennstoffzellenelementen 40, von denen jede aus einer Kathodenschicht 12, einer Festelektrolytschicht 30 und einer Anodenschicht 14 besteht, so im Behälter enthalten ist, dass die Kathodenschichten 12 und die Anodenschichten 14, aus denen die Brennstoffzellenelemente 40 bestehen, senkrecht zur Strömungsrichtung des dem Behälter 20 durch die Zuführleitungen 23a zugeführten Gasgemisches verlaufen. Da das Gasgemisch durch den Stapel von Brennstoffzellenelementen 40 von einem Zwischenraum 22 zum anderen Zwischenraum 24 strömen muss, besteht jede der Kathodenschichten 12, der Anoden schichten 14 und der Festelektrolytschichten 30 des Stapels von Brennstoffzellenelementen 40 aus einem porösen Material. Bei der in dieser Zeichnung dargestellten Brennstoffzelle sind die Elemente mit Ausnahme des Stapels von Brennstoffzellenelementen 40 die gleichen, wie sie zu einem früheren Zeitpunkt mit Bezug auf 1 beschrieben worden sind und sind hier nicht dargestellt.
Der in 2 dargestellte Stapel von Brennstoffzellenelementen 40 kann erhalten werden, indem der Stapel von unbearbeiteten Folien für die jeweiligen Schichten gebrannt wird, so dass er eine bestimmte Form erhält. Somit kann der in 2 gezeigte Stapel von Brennstoffzellenelementen 40 im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Stapel von Brennstoffzellenelementen 16 kostengünstiger hergestellt werden, was erfolgt, indem unbearbeitete Folien für die Kathodenschicht und die Anodenschicht für eine bestimmte Form auf den jeweiligen Seiten einer vorgebrannten Festelektrolytschicht 10 platziert werden oder indem Kleber für die Kathodenschicht und die Anodenschicht auf die jeweiligen Seiten einer vorgebrannten Festelektrolytschicht aufgebracht werden, und dann die Anordnung der unbearbeiteten Folien bzw. Kleber und die vorgebrannte Festelektrolytschicht miteinander gebrannt werden.
Bei der in 2 gezeigten Brennstoffzelle bewirkt das der Brennstoffzelle durch die Zuführleitungen 23a zugeführte Gasgemisch elektrochemische Reaktionen während es durch die poröse Kathode, Anode und die Elektrolytschichten 12, 14, 30 strömt und wird dann durch die Abführleitungen 25a von der Brennstoffzelle abgeführt.
Die in den 1 und 2 dargestellten Brennstoffzellen erzeugen unter den Bedingungen Elektrizität, bei denen sich die gesamte Brennstoffzelle in einer gewissen Temperaturatmosphäre befindet. Wie in 3 gezeigt, kann eine Heizvorrichtung 50 als Heizung zum Aufheizen eines Teils der Brennstoffzelle dort vorhanden sein, wo der Stapel von Brennstoffzellenelementen 40 enthalten ist, und Kühlröhren 52 können als Kühleinrichtung in Nähe des Stapels von Brennstoffzellenelementen 40 und außerhalb der Zwischenräume 22, 24 vorhanden sein, in die das Füllmaterial 26 eingefüllt ist. Durch Kühlen des Gasgemisches in den Zwischenräumen 22, 24 kann auf diese Weise der Quenchdurchmesser für das Gasgemisch in den Zwischenräumen 22, 24 erhöht werden.
Wenn die Zwischenräume 22, 24 wie vorstehend beschrieben zwangsgekühlt werden, besteht das in die Zwischenräume 22, 24 eingefüllte Füllmaterial 26 vorzugsweise aus einem Metall oder einer Legierung aus Metallen mit guter Wärmeleitfähigkeit.
Bei der in 3 gezeigten Brennstoffzelle sind die Bauteile mit Ausnahme der Heizvorrichtung 50 und den Kühlröhren 52 die gleichen wie die zu einem früheren Zeitpunkt mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen Bauteile und sind hier nicht dargestellt.
Obwohl die in den 1 bis 3 dargestellten erfindungsgemäßen Brennstoffzellen eine Vielzahl von gestapelten Brennstoffzellenelementen verwenden, kann die Erfindung auch auf eine Brennstoffzelle angewandt werden, die ein einzelnes Brennstoffzellenelement in einem Behälter verwendet, vorausgesetzt, es kann verhindert werden, dass ein Gasgemisch durch die Spalten zwischen dem Brennstoffzellenelement und dem Behälter strömt, um das Brennstoffzellenelement zu umgehen.
Wie beschrieben, kann gemäß der Erfindung Elektrizität sicher in einer Brennstoffzelle unter Verwendung eines Brenngasgemisches erzeugt werden, dessen Sauerstoffkonzentration innerhalb der Zündgrenzen für das Brenngasgemisch liegt. Somit ermöglicht es die Erfindung, zu verhindern, dass die Leistung der Brennstoffzelle aufgrund von Verkohlung des Brennstoffs im Gasgemisch gemindert wird, was bei einer signifikant niedrigen Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch hervorgerufen wird, wodurch die Stromerzeugungsausbeute erhöht wird.

Claims

Brennstoffzelle, mit einem Behälter mit wenigstens einer Einlassöffnung und wenigstens einer Auslassöffnung und einem Stapel von Brennstoffzellenelementen, die so in dem Behälter enthalten sind, dass die Umfangsflächen des Stapels von Brennstoffzellenelementen und die Innenflächen des Behälters kontaktiert sind, wobei das Element eine Kathodenschicht, eine Anodenschicht und eine Elektrolytschicht umfasst, wobei die Elektrolytschicht zwischen der Kathoden- und der Anodenschicht angeordnet ist, und wobei ein Brennstoffgas und Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch der Brennstoffzelle über die Einlassöffnung zugeführt wird und wobei ein Abgas über die Auslassöffnung abgeführt wird, wobei in jeden der Zwischenräume zwischen der Einlassöffnung und dem Stapel von Brennstoffzellenelementen und zwischen den Stapel von Brennstoffzellenelementen und der Auslassöffnung Füllmaterialien eingefüllt sind, und wobei ein Spalt zwischen den benachbarten Füllmaterialien vorgesehen ist, in dem das Brenngasgemisch nicht bei den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle gezündet werden kann, selbst wenn das Brenngasgemisch eine Sauerstoffkonzentration innerhalb der Zündgrenzen für das Brenngasgemisch aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Spalt zwischen den benachbarten Füllmaterialien kleiner ist als der Quenchabstand für das Brenngasgemisch mit einer Sauerstoffkonzentration innerhalb der Zündgrenzen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei der maximale Spalt zwischen den Füllmaterialien dem Quenchdurchmesser für das Brenngasgemisch gleicht bzw. kleiner als dieser ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei eine Heizvorrichtung zum Aufheizen des Teils der Brennstoffzelle vorgesehen ist, in dem der Stapel von Brennstoffzellenelementen enthalten ist, und wobei eine Kühleinrichtug vorgesehen ist, um die Zwischenräume der Brennstoffzelle zu kühlen, die mit den Füllmaterialien gefüllt sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Füllmaterial ein Pulverteilchen, ein poröser Körper oder eine kleine Röhre aus einem Metall oder einer Keramik ist, die bei den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle stabil ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Füllmaterial ein Pulverteilchen mit einem Durchmesser von 50 bis 1,000 Mikrometern ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Füllmaterial ein poröser Körper mit einer offenen Porosität von 50% oder mehr ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Füllmaterial eine Röhre mit einem Innendurchmesser von 100 bis 200 Mikrometern ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die Röhren so in die Zwischenräume eingebracht sind, dass sie in Strömungsrichtung des Brenngasgemisches angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 8, wobei die Röhren willkürlich in die Zwischenräume eingebracht sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Füllmaterial aus einem Metall gebildet ist, das aus der Gruppe bestehend aus Ti, Cr, Te, Co, Ni, Cu, Al, Mo, Rh, Pd, Ag, W, Pt und Au oder einer Legierung von zwei oder mehreren daraus ausgewählt ist, oder aus einer Keramik gebildet ist, die aus einem oder mehr aus der Gruppe bestehend aus Mg, Al, Si und Zr ausgewählt ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Stapel der Brennstoffzellenelementen aus den Brennstoffzellenelementen gebildet ist, die so gestapelt sind, dass sich die Kathodenschicht eines Elements und die Anodenschicht eines anderen Elements direkt berühren.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei zumindest die Kathoden- und die Anodenschicht des Stapels von Brennstoffzellenelementen porös sind und wobei der Stapel der Brennstoffzellenelemente so im Behälter enthalten ist, dass die Schichten des Stapels von Brennstoffzellenelementen parallel zur Strömungsrichtung des von einem Zwischenraum zum anderen strömenden Brenngasgemisches verlaufen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Kathoden-, Anoden- und Elektrolytschichten des Stapels von Kraftstoffzellenelementen porös sind und wobei der Stapel von Kraftstoffzellenelementen so im Behälter enthalten ist, dass die Schichten des Stapels der Kraftstoffzellenelemente senkrecht zur Strömungsrichtung des von einem Zwischenraum zum anderen strömenden Brenngasgemisches verlaufen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei die porösen Schichten eine offene Porosität aufweisen, die gleich oder größer als 20% ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei die porösen Schichten eine offene Porosität von 30 bis 70% aufweisen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die porösen Schichten eine offene Porosität aufweisen, die gleich oder größer als 20% ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die porösen Schichten eine offene Porosität von 30 bis 70% aufweisen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Kathodenschicht aus einer Manganit-, Gallat- oder Cobaltitverbindung mit Lanthan gebildet ist, der ein Element aus der Gruppe III des Periodensystems hinzugefügt wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Anodenschicht aus einem Körper gebildet ist, der Nickel, Cermet oder Platin trägt, dem ein die Elektrolytschicht bildendes Elektrolyt hinzugefügt wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Elektrolytschicht aus einem Zirkonium gebildet ist, das teilweise durch ein Element aus der Gruppe III des Periodensystems stabilisiert ist, bzw. durch ein Zeroxid, das mit Lanthanid dotiert ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei ein einzelnes Brennstoffzellenelement anstelle des Stapels von Brennstoffzellenelementen verwendet wird.