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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.
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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.
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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.
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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 (O2–) 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
US 5 094 928 offenbart einen
Brennstoffzellenstapel, dem ein Brennstoff/Oxidationsgemisch zugeführt wird,
wobei der Stapel in einem Paket enthalten ist.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
ist der Spalt zwischen den benachbarten Füllmaterialien kleiner als der
Quenchabstand für
das Brenngasgemisch mit einer Sauerstoffkonzentration innerhalb
der Zündgrenzen.
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Noch
besser ist es, wenn der maximale Spalt zwischen den Füllmaterialien
dem Quenchdurchmesser für
das Brenngasgemisch gleich bzw. kleiner als dieser ist.
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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.
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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.
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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.
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Die
Röhren
können
so in die Zwischenräume eingebracht
sein, dass sie in Strömungsrichtung
des Brenngasgemisches angeordnet sind.
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Alternativ
dazu können
die Röhren
willkürlich in
die Zwischenräume
eingebracht sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
ist die Kathodenschicht aus einer Manganit-, Gallat- oder Cobaltitverbindung
mit Lanthan gebildet, der ein Element aus der Gruppe III des Periodensystems
hinzugefügt
wird.
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Vorzugsweise
ist die Anodenschicht aus einem Körper gebildet, der Nickel,
Cermet oder Platin trägt,
dem ein die Elektrolytschicht bildendes Elektrolyt hinzugefügt wird.
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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.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
kann die Brennstoffzelle ein einzelnes Brennstoffzellenelement anstelle
des Stapels von Brennstoffzellenelementen umfassen.
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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:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle
ist;
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2 eine
schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle
ist;
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3 eine
schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle
ist;
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4 eine
Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik zeigt; und
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5 einen
neuen Brennstoffzellentyp zeigt, über den kürzlich berichtet worden ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Darüber hinaus
kann das Füllmaterial
in die Zuführleitungen 23a eingefüllt werden,
um die Zündung
des der Brennstoffzelle zugeführten
Gasgemisches darin zu verhindern.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.