DE60223986T2

DE60223986T2 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE60223986T2
Application number: DE60223986T
Authority: DE
Inventors: Keiko Fujisawa-shi Kushibiki; Masaharu Yokohama-shi Hatano; Itaru Kamakura-shi SHIBATA; Tatsuhiro Yokosuka-shi Fukuzawa; Naoki Yokohama-shi Hara; Dong Yokohama-shi Song; Yoshiko Yokohama-shi Hishitani; Fuminori Yokohama-shi Satou; Makoto Miura-shi Uchiyama; Mitsugu Yokohama-shi Yamanaka
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2022-10-22
Also published as: DE60223986D1; JP3731650B2; US20030082423A1; EP1309027A3; EP1309027A2; JP2003132933A; US7157169B2; EP1309027B1

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle, wie z. B. eine Festoxid-Brennstoffzelle oder dergleichen, die einen Elektrolyten, eine Brennstoffelektrode und eine Luftelektrode aufweist und die elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt, und insbesondere auf eine Brennstoffzelle mit folgendem Merkmal: eine Verbrennungsheizvorrichtung ist in der Brennstoffzelle enthalten, um dadurch sowohl die Inbetriebnahmeleistung als auch die Wiederanlaufleistung der Brennstoffzelle zu verbessern.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine Brennstoffzelle weist einen Aufbau auf, bei dem ein Hochleistungselektrolyt zur Leitung eines Ions, wie z. B. eines Sauerstoffions (O^2–), eines Protons (H⁺), oder dergleichen, zwischen einer porösen Luftelektrode und einer porösen Brennstoffelektrode gehalten wird. Darüber hinaus erzeugt die Brennstoffzelle eine elektromotorische Kraft, indem Oxidationsgas, das Sauerstoffgas enthält, der Luftelektrodenseite und Reduktionsgas, das Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffgas enthält, der Brennstoffelektrodenseite zugeführt wird und diese Gase durch den Elektrolyten miteinander elektrochemisch reagieren.
Als herkömmliche Festoxid-Brennstoffzelle (nachfolgend wird Festoxid-Brennstoffzelle mit SOFC abgekürzt), die ein Typ solcher Brennstoffzellen ist, offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung mit der Nummer H5-205753 eine SOFC, die einen Flat-plate- bzw. Flachplatten-Stapel umfasst, der durch alternatives Schichten von einzelnen Zellplatten und Separatoren ausgebildet ist, wobei jede Zellenplatte eine Anode beziehungsweise eine Kathode umfasst, die auf einer Vorderseite und einer Rückseite einer Festelektrolytplatte angeordnet sind, und jeder Separator eine Gasausnehmung, die auf einer Seite ausgebildet ist, um das Brenngas zu verteilen, und eine Gasausnehmung auf der anderen Seite aufweist, um das Oxidationsgas zu verteilen. Ferner offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung mit der Nummer H8-102327 eine hohle Flachplatten-Brennstoffzelleplatte, um eine Zellenplatte auszubilden, die im Innern eine Mehrzahl von Gasdurchgängen und ebenfalls eine Separatorfunktion umfasst.
Im Allgemeinen erreicht eine Betriebstemperatur in einer solchen SOFC 800 bis 1000°C, sodass eine Erwärmung bis zur Betriebstemperatur in der Anlaufzeit der Brennstoffzelle durchgeführt werden muss. Jedoch wurden in den oben genannten Veröffentlichungen spezifische Einrichtungen zur Erwärmung eines solchen Brennstoffzellenstapels nicht erwähnt.
In Bezug auf einen zylindrischen Stapel beschreibt indessen eine Veröffentlichung „A 1000-cell SOFC reactor for domestic cogeneration", Seite 271 bis 277 des Journal of Power Sources 71 (1998) die Energieerzeugung durch Einleitung von Brennstoff zu den zylindrischen Innenseiten einer Mehrzahl von zylindrischen Zellen und Luft zu den Außenseiten der Zellen. Darüber hinaus beschreibt die Veröffentlichung einen Vorgang, der eine Mischung aus Wasserstoff und Luft zur Innenseite der Zellenzylinder in der Anlaufzeit einleitet und diese zur Verbrennung durch eine Zündspule zündet, die auf einer Oberseite der Zelle angeordnet ist.
Außerdem beschreibt ein Artikel „Concept and Technology of DH-Q-SOFC for efficient use of fossil fuel resources in electric vehicles", der auf dem 45. SOFC-Workshop (der am 9. Mai 2001 stattfand) vorgestellt wurde, den Einbau eines Verbrennungszylinders getrennt von einer Zelle.
WO 00/54356 A offenbart eine Brennstoffzellen-Batterie mit einem verbesserten Kaltstartverhalten. Die Brennstoffzellen-Batterie weist eine Elektrolyteinheit mit einer Reaktionskammer auf jeder Seite auf. Eine Rohrleitung ist vorgesehen, um ein Gas während dem Kaltstart zumindest einer der Reaktionskammern zuzuführen. Dadurch wirkt die Elektrode der Brennstoffzelleneinheit als katalytischer Brenner.
DE 40 33 286 A1 offenbart ein Verfahren zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie unter Verwendung eines keramischen Festelektrolyts. Während der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle wird zumindest ein Teil des Brennstoffs in Kontakt mit dem Sauerstoff auf der Seite der negativen Brennstoffzellenelektrode gebracht.
GB 1047936 A offenbart die Wärmeerzeugung durch Mischen von Brennstoff und Sauerstoff direkt in der Reaktionskammer. Jedoch ist keine getrennte Verbrennungsheizvorrichtung zum Aufwärmen der Zellenelemente vorgesehen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Weil jedoch keine Heizvorrichtung, wie oben beschrieben, vorgesehen ist, wird im Falle des in jedem der vorausgehenden Veröffentlichungen beschriebenen Flachplatten-Stapels in der Anlaufzeit der gesamte Stapel durch eine Heizvorrichtung erwärmt, die auf der Außenseite des Stapels montiert ist. Daher ist die Erwärmungseffizienz gering, wodurch eine sehr lange Anlaufzeit erforderlich ist.
Da im Falle des in der Veröffentlichung des Journal of Power Sources beschriebenen zylindrischen Stapels die Zelle in der Anlaufzeit außerdem als Brennstoffzylinder wirkt, wird eine auf einer Innen- oder Außenwand der Zelle ausgebildete Elektrodenschicht beschädigt oder oxidiert, wobei ein Problem einer Verringerung bei einer Elektrodeneigenschaft verursacht wird.
Ferner variiert infolge einer zylindrischen Form des Verbrennungszylinders beim in der Veröffentlichung des oben genannten 45. SOFC-Workshops beschriebenen Verfahren ein Zellen-Erwärmungsgrad von Position zu Position und es ist schwierig, selbst eine Zelle homogen zu erwärmen. Daher kann eine thermische Beanspruchung auf die Zelle einwirken, wodurch eine Beschädigung verursacht wird. Selbst wenn einige Zellen rasch erwärmt werden, dauert es ebenfalls lange, bis alle Zellen homogen erwärmt sind, und die Ausgabe von elektrischer Energie der Zellen homogen erfolgt. Wenn eine Steuerung bei der Ausgabe von elektrischer Energie zwischen den Zellen auftritt, entsteht ein Problem, d. h. ein großer Verlust bei der Ausgabe von elektrischer Energie des gesamten Stapels. Wenn zum Beispiel die Temperaturen zwischen den Teilen der Mehrzahl der elektrisch parallel geschalteten Zellen unterschiedlich sind, und eine Zelle, die eine geringe elektrische Stromspannung erzeugt, oder eine Zelle mit einem großen Innenwiderstand angeschlossen wird, kann nicht nur die elektrische Energie, die durch die Zelle erzeugt wird, nicht entnommen werden, sondern es wird auch die Energie, die durch eine Zelle mit einer hohen Ausgabe von elektrischer Energie erzeugt wird, im Innern verbraucht oder Wärme lokal erzeugt, wodurch ein großer Verlust erzeugt wird. Daher wurde es erforderlich, einen Zellen-Energieerzeugungsbereich durch Lösen dieser Probleme effizient und homogen zu erwärmen, wobei die zur Inbetriebnahme erforderliche Zeit verkürzt wird.
Die vorliegende Erfindung erfolgte vor dem Hintergrund der vorgenannten Probleme der herkömmlichen Brennstoffzelle. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die einen Energieerzeugungsschichtbereich der Brennstoffzelle rasch und homogen auf eine Temperatur zur Energieerzeugung erwärmen kann, wobei das Anlaufverhalten verbessert, Energie mit einer hohen Ausgabedichte bei einem geringen elektrischen Energieverlust sofort nach der Inbetriebnahme der Energieerzeugung erzeugt und eine Beschädigung durch einen Temperaturschock verhindert wird, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Stapelaufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel zeigt, das einen Separator in einem Stapelaufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Verbrennungsheizplatte zeigt, die auch als Gasdurchgang zur Energieerzeugung bei einem Stapelaufbau der Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient;
4 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Schichtung von Zellenplatten zeigt, bei der die Positionen der Brennstoff- und Luft-Elektroden bei einem Stapelaufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegenüberliegen;
5 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel eines Katalysators zeigt, der auf einem Verbrennungsträger einer Verbrennungsheizplatte bei einem Stapelaufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung getragen wird;
6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Verbrennungsheizvorrichtung zeigt, die bei einem zylindrischen Brennstoffzellenstapel bei einem Stapelaufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
7A ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Verbrennungsheizvorrichtung zeigt, die bei einem zylindrischen Brennstoffzellenstapel verwendet wird, die sich von dem der sechsten Ausführungsform bei einem Stapelaufbau einer Brennstoffzelle gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterscheidet;
7B ist eine perspektivische Ansicht des in 7A dargestellten zylindrischen Brennstoffzellenstapels;
8 ist eine Grafik, die Änderungen bei einer Zellenplattentemperatur und Ausgabe von elektrischer Energie im Verlauf der Zeit nach einem Start der Erwärmung in der Brennstoffzelle der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9A und 9B sind schematische Querschnittsansichten, von denen jede einen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
10A bis 10D sind Querschnitts- und Außenansichten, von denen jede einen Zustand zeigt, bei dem der in 9A und 9B dargestellte Brennstoffzellenstapel in einem Gehäuse befestigt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zur detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung werden bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung nachfolgend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Eine Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung weist eine Verbrennungsheizplatte auf, die zwischen den Zellenplatten eines Brennstoffzellenstapels so angeordnet sind, dass der gesamte Stapel nicht von einer externen Einheit aufgewärmt wird, sondern ein Zellenbereich durch die zwischen die Zellenplatten eingefügte Verbrennungsheizvorrichtung direkt erwärmt wird. Dadurch wird der gesamte Stapel rasch auf eine Temperatur zur Energieerzeugung erwärmt, wobei das Anlaufverhalten der Zelle in hohem Maße verbessert wird.
Als Verbrennungsheizplatte können z. B. ein poröser Verbrennungsträger aus Keramik oder wärmebeständigem Metall und ein Plattenelement mit einer gasundurchlässigen Schicht verwendet werden, die eine gesamte Oberfläche oder einen Teil des porösen Verbrennungsträgers bedeckt. Außerdem umfasst die Verbrennungsheizvorrichtung einen Zündmechanismus. Brennstoff oder gemischtes Gas aus Brennstoff und Luft wird aus einer Brennstoff-Zuführungsöffnung zugeführt, aus feinen Poren auf einer Verbrennungsoberfläche des porösen Trägers ausgestoßen und durch den Zündmechanismus verbrannt. Dadurch wird eine homogene Verbrennungsoberfläche ausgebildet, wobei die Temperaturen der gegenüberliegenden Zellenplattenbereiche der Verbrennungsoberfläche homogen erhöht werden. Demzufolge ist es möglich, die Haltbarkeit der Zelle zu steigern und eine hohe Ausgabedichte direkt nach der Inbetriebnahme zu erreichen, indem eine durch ein Temperaturgefälle verursachte Deformierung oder ein Abblättern der Schicht verhindert wird.
Als poröser Verbrennungsträger der Verbrennungsheizplatte kann z. B. ein poröser keramischer Körper, der hauptsächlich Cordierit, Aluminiumoxid, Titan, Cer, Zirkonium, oder dergleichen enthält, ein poröser Metallkörper, der hauptsächlich wärmebeständigen Stahl, Edelstahl, eine Nickellegierung, eine Kupferlegierung, eine Titanlegierung oder dergleichen enthält, ein Metallfilzkörper oder dergleichen verwendet werden.
Als gasundurchlässige Schicht, die die Oberfläche des porösen Verbrennungsträgers bedeckt, kann eine dünne Platte verwendet werden, die zum Beispiel aus wärmebeständigem Stahl oder Edelstahl hergestellt ist. Die gasundurchlässige Schicht wirkt auch als Gas-Trennwand. Ferner kann sie durch Verwendung eines elektrisch leitenden Materials auch als Verbindungsstück bzw. Interkonnektor wirken.
Als Zündmechanismus kann eine normale Zündspule oder Zündkerze verwendet werden. Der Zündmechanismus kann in einem Mischbereich des Kraftstoffs zur Erwärmung und der Luft oder dessen stromabwärts liegender Seite montiert werden.
Im Übrigen ist der Aufbau der Zellenplatte bei der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel kann eine elektrolytgestützte Zelle, eine elektrodengestützte Zelle, eine durch eine poröse Metallplatte gestützte Zelle mit einem Elektrolyt und zwei Elektroden ver wendet werden, die auf einer porösen Metallplatte aus Nickel, Edelstahl oder dergleichen ausgebildet sind.
Als Brennstoffelektrodenmaterial können zum Beispiel Nickel, Nickel-Cermet, Platin, oder dergleichen verwendet werden. Das Material ist aber nicht auf diese beschränkt.
Als Luftelektrodenmaterial können zum Beispiel Oxide mit einer Perovskitstruktur, wie z. B. La_1-xSr_xMnO₃ oder La_1-xSr_xCoO₃, Silber oder dergleichen verwendet werden. Das Material ist aber nicht auf diese beschränkt.
Als Elektrolytmaterial können stabilisiertes Zirkonium (ZrO₂), in dem Nd₂O₃, Sm₂O₃, Y₂O₃, Gd₂O₃, Sc₂O₃ oder dergleichen gelöst ist, ein Festelektrolyt, der hauptsächlich CeO₂, Bi₂O₃, LaGaO₃, oder dergleichen enthält, verwendet werden. Das Material ist aber nicht auf diese beschränkt. Als fluorierte Ionen-Austauschmembran, die eine Sulfonsäuregruppe enthält, kann z. B. eine Protonen-Austauschmembran-Brennstoffzelle (PEFC), die von Dupont hergestelltes Nafion^® als Elektrolyt aufweist, verwendet werden.
Ein Stapelschichtaufbau der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung kann derart hergestellt werden, dass alle Separatoren in einem normalen Brennstoffstapel, die durch abwechselndes Schichten von Zellenplatten hergestellt werden, die eine Elektrolytschicht und Brennstoff- und Luftelektrodenschichten und die Separatoren umfassen, durch die vorgenannte Verbrennungsheizplatte ersetzt werden. Darüber hinaus kann ein Separator aus jeder vorgegebenen Anzahl von Separatoren durch die Verbrennungsheizplatte ersetzt werden. Das heißt, dass zum Beispiel ein Separator aus jeweils zwei oder drei Separatoren durch die Verbrennungsheizplatte ersetzt wird.
1 und 2 zeigen jeweils ein Beispiel eines geschichteten Aufbaus eines solchen Flachplatten-Brennstoffzellenstapels. 1 zeigt einen Flachplatten-Brennstoffzellenstapel gemäß einer ersten Ausführungsform, bei dem alle Separatoren durch die Verbrennungsheizplatte ersetzt wurden.
Wie in 1 dargestellt, weist der Brennstoffzellenstapel nämlich eine Struktur auf, die durch abwechselndes Schichten von Zellenplatten 2 und Verbrennungsheizplatten 3 ausgebildet ist, wobei die Zellenplatten 2 eine Brennstoffelektrodenschicht 2b und eine Luftelektrodenschicht 2c umfassen, die jeweils auf einer Oberseite und einer Rückseite einer Elektrodenschicht 2a in der Zeichnung ausgebildet sind. In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 4 einen Luftdurchgang und das Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Brennstoffdurchgang zur Zuführung von Sauerstoff oder dergleichen.
Die Verbrennungsheizplatte 3 umfasst einen Verbrennungsträger 3a, der z. B. aus einem porösen Edelstahlkörper hergestellt ist, und eine gasundurchlässige Schicht 3b, die z. B. aus einer dünnen Edelstahlplatte hergestellt ist. Die Verbrennungsheizplatte 3 ist aufgebaut, um eine gesamte Oberfläche des porösen Verbrennungsträgers 3a mit der gasundurchlässigen Schicht 3b abzudecken. Ein Verfahren zum Aufheizen der Zellenplatte 2 wird nachfolgend beschrieben. In der Anlaufzeit werden Brennstoff und Luft zum Aufheizen aus einer Gas-Zuführungsöffnung 3c der Verbrennungsheizplatte 3 eingeleitet. Die Zündung wird durch einen Zündmechanismus (nicht dargestellt) ausgeführt. Sobald die Verbrennung begonnen hat, wird die gasundurchlässige Schicht 3b erwärmt, wobei die Zellenplatte 2 erwärmt wird. Das Gas wird vom Verbrennungsträger 3a verwendet und das restliche Gas wird aus einer Gas-Austrittsöffnung 3d ausgestoßen.
Die gasundurchlässige Schicht 3b wird, wie oben beschrieben, durch das Abdecken der gesamten Oberfläche des porösen Verbrennungsträgers 3a mit der gasundurchlässigen Schicht 3b zu einer Gas-Trennwand. Auf diese Weise wirkt die Verbrennungsheizplatte 3 als Separator, sodass das Gas für die Verbrennung und das Gas für die Energieerzeugung getrennt und in den Brennstoffzellenstapel 1 eingeleitet werden können und die Zellenplatte 2 selbst während der Energieerzeugung, einer nachfolgenden Erwärmung, unabhängig von der Steuerung der Ausgabe von elektrischer Energie, einfach unterzogen werden kann.
Da das Aufheizen der Zellenplatte ferner durch die gasundurchlässige Schicht 3b indirekt ausgeführt wird, wird ein Temperaturschock abgeschwächt und eine Temperatur homogener gesteigert. Falls eine Kühlung ausgeführt wird, um einen exzessiven Temperaturanstieg der Zellenplatte 2 zu verhindern oder zu stoppen, kann die gasundurchlässige Schicht 3b zudem als Kühlplatte wirken, um Luft zur Kühlung einzuleiten.
Ein elektrisch leitendes Material, wie z. B. Edelstahl, kann wie oben beschrieben, als gasundurchlässige Schicht 3b der Verbrennungsheizplatte 3 verwendet werden, um dadurch eine Funktion als Interkonnektor mit einer Stromsammelfunktion und einer elektrischen Leitungsfunktion zwischen den Zellen zu ermöglichen. Folglich wird ein Herstellungsprozess durch die Reduzierung der Anzahl der Interkonnektor-Elemente vereinfacht.
Im Übrigen kann die Zellenplatte 2 in der Anlaufzeit natürlich infolge der Verbrennung durch alle Verbrennungsheizplatten 3, die in der Brennstoffzelle installiert sind, rasch gesteigert werden. Anders als bei diesem Fall kann, je nach der geforderten Anlaufzeit, einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 in der Anlaufzeit der Erwärmung oder dergleichen, durch eine selektive Zuführung von Brennstoff zur Verbrennungsheizplatte 3, die Zellenplatte 2 nur durch eine bestimmte Heizplatte er wärmt werden. Außerdem kann Kühlluft nur einer bestimmten Heizplatte zugeführt werden. Demzufolge kann nicht nur das Erwärmen und Kühlen homogen durchgeführt werden, sondern auch die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 präzise und rasch während der Energieerzeugung angepasst werden.
2 zeigt ein Beispiel eines geschichteten Aufbaus einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Separator 6 aus je zwei Separatoren 6 durch eine Verbrennungsheizplatte 3 ersetzt ist. Von unten nach oben sind eine Verbrennungsheizplatte 3, eine Zellenplatte 2, ein Separator 6, eine Zellenplatte 2, eine Verbrennungsheizplatte 3 und eine Zellenplatte 2 aufeinander geschichtet.
Durch eine Öffnung eines Teils einer gasundurchlässigen Schicht 3b der Verbrennungsheizplatte 3 kann in diesem Fall das Brenngas auf einer Oberfläche eines Verbrennungsträgers 3a unter Verwendung von Luft zur Energieerzeugung verbrannt werden. In der Verbrennungsheizplatte 3 der Ausführungsform gibt es nämlich einen Bereich (eine Öffnung) auf einer Oberfläche gegenüber der Zellenplatte 2 des Verbrennungsträgers 3a, in dem die gasundurchlässige Schicht 3b nicht ausgebildet ist. In der Anlaufzeit wird Brennstoff aus einer Gas-Zuführungsöffnung 3c der Verbrennungsheizplatte 3 eingeleitet und Luft wird in einen Luftdurchgang 4 eines Brennstoffzellenstapels 1 eingeleitet. Der Brennstoff wird auf der Öffnungsoberfläche des Brennstoffträgers 3a verbrannt, wodurch die Zellenplatte 2 erwärmt wird. Energie wird erzeugt, indem der Brennstoff zur Energieerzeugung einem Brennstoffdurchgang 5 zugeführt wird und die Luft dem Luftdurchgang 4 zugeführt wird.
Im beschriebenen Fall wird die Verbrennung in der Umgebung der Oberfläche des Verbrennungsträgers 3a durchgeführt, auf dem keine gasundurchlässigen Schichten 3b ausgebildet sind, und ein feiner Porendurchmesser und eine Porosität des Verbren nungsträgers 3b werden angepasst, um dadurch eine homogene Oberflächenverbrennung zu erreichen, und da die Luft von einer Oberseite der Verbrennungsoberfläche eingeleitet wird, kann die homogene Oberflächenverbrennung leicht gesteuert werden. Infolge der direkten Erwärmung der Zellenplatte 2 kann die Zellenplatte 2 darüber hinaus rasch erwärmt werden, damit die Inbetriebnahme in kurzer Zeit durchgeführt werden kann. Wie im Fall der ersten Ausführungsform kann auch bei dieser Ausführungsform ein elektrisch leitfähiges Material für die gasundurchlässige Schicht 3b verwendet werden, damit diese als Interkonnektor wirken kann.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle wirkt der poröse Verbrennungsträger 3a der Verbrennungsheizplatte 3 als Durchgang für den Brennstoff zur Erwärmung, oder das gemischte Gas aus dem Brennstoff zur Erwärmung und Luft, sodass dieser als Heizvorrichtung zur Erwärmung der Zelle verwendet werden kann. Darüber hinaus kann der poröse Verbrennungsträger 3a als Durchgang für das Gas (d. h. das Brenngas oder die Luft) zur Energieerzeugung während der Energieerzeugung wirken.
3 zeigt ein Beispiel einer Schichtung eines Brennstoffzellenstapels 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein poröser Verbrennungsträger 3a als Durchgang für das Gas zur Energieerzeugung während der Energieerzeugung wirkt. Der Brennstoffzellenstapel 1 weist einen Aufbau auf, der durch abwechselndes Schichten von Verbrennungsheizplatten 3 und Zellenplatten 2 gebildet wird. Die Verbrennungsheizplatte 3 umfasst eine gasundurchlässige Schicht 3b mit einer Öffnung auf einer Oberseite in der Zeichnung und einen porösen Verbrennungsträger 3a, der die gasundurchlässige Schicht 3b ausfüllt. In der Anlaufzeit der Brennstoffzelle wird eine Mischung aus Brennstoff zur Erwärmung und Luft aus einer Gas-Zuführungsöffnung 3c der Heizplatte 3 eingeleitet. Die Verbrennung wird im Öffnungsbereich der gasun durchlässigen Schicht 3b des porösen Verbrennungsträgers 3a durchgeführt, wobei die Zellenplatte 2 erwärmt wird. Außerdem wird während der Energieerzeugung aus der Gas-Zuführungsöffnung 3c nur Luft zugeführt und Energie wird durch diese Luft und den aus einem Brennstoff-Durchgang 5 zugeführten Brennstoff erzeugt. Wie bei den vorausgegangenen Ausführungsformen wird auch in dieser Ausführungsform ein elektrisch leitfähiges Material als gasundurchlässige Schicht 3b verwendet, um dadurch als Interkonnektor wirken zu können.
In diesem Fall wirkt die Verbrennungsheizplatte 3 auch als Durchgang für das Gas zur Energieerzeugung. Daher wird die Anzahl der zu schichtenden Bauteile reduziert und der Brennstoffzellenstapel miniaturisiert. Wahlweise kann durch Erhöhen der Anzahl der pro Volumeneinheit geschichteten Zellenplatten die Ausgabe von elektrischer Energie der Brennstoffzelle gesteigert werden. Zudem wird eine Wärmekapazität des Brennstoffzellenstapels durch die reduzierte Anzahl der zu schichtenden Bauteile reduziert, um dadurch eine rasche Erwärmung ausführen zu können, um die Manövrierfähigkeit zu verbessern. Zudem wirkt der poröse Verbrennungsträger 3a der Verbrennungsheizplatte 3 als Gasdiffusor. Folglich kann das Gas zur Energieerzeugung der Brennstoffzellenoberfläche homogen zugeführt werden und die Ausgabe von elektrischer Energie in der Zellenplatte kann homogen verteilt werden, wodurch ein Leistungsverlust des gesamten Stapels reduziert wird.
4 zeigt ein Beispiel einer Schichtung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine Verbrennungsheizplatte 3 zwischen jede der abwechselnd geschichteten Zellenplatten 2 und jede der Zellenplatten 2' eingefügt ist, die umgekehrte Positionen der Brennstoff- und Luftelektrodenschichten 2b und 2c gegenüber denen der Zellenplatte 2 aufweisen.
Die Zellenplatte ist nämlich aus einer Zellenplatte 2 und einer Zellenplatte 2' zusammengesetzt. Die Zellenplatte 2 umfasst eine Brennstoffelektrodenschicht 2b, die auf einer Oberseite einer Elektrolytschicht 2a ausgebildet ist, und eine Luftelektrodenschicht 2c, die auf deren Unterseite ausgebildet ist. Diese Zellenplatten 2 und 2' werden abwechselnd geschichtet und die Verbrennungsheizplatte 3 wird zwischen je zwei dieser Zellenplatten 2 und 2 eingefügt. Die Verbrennungsheizplatte 3 umfasst Öffnungen einer gasundurchlässigen Schicht 3b sowohl auf den Vorder- als auch Rückseite einer porösen Verbrennungsplatte 3a. Die Öffnungen der gasundurchlässigen Schicht 3b sind gegenüber den Luftelektroden 2c und 2c der Zellenplatten 2 und 2' angeordnet. Beim geschichteten Aufbau des Brennstoffzellenstapels 1 sind von unten nach oben eine Zellenplatte 2, eine Zellenplatte 2, eine Verbrennungsheizplatte 3, eine Zellenplatte 2, eine Zellenplatte 2', eine Verbrennungsheizplatte 3 und eine Zellenplatte 2 aufeinander geschichtet.
Auch bei dieser Ausführungsform wirkt die Verbrennungsheizplatte 3 als Luftdurchgang. Wie im vorhergegangenen Fall wird in der Anlaufzeit der Brennstoffzelle eine Mischung aus Brennstoff zur Erwärmung und Luft aus einer Gas-Zuführungsöffnung 3c der Heizplatte 3 zugeführt. Während der Energieerzeugung wird aus der Gas-Zuführungsöffnung 3c nur Luft zugeführt.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle kann der poröse Verbrennungsträger 3a der Verbrennungsheizplatte 3 im Übrigen einen Katalysator tragen, um dadurch z. B. eine durch die Verbrennung erzeugte Wärmemenge zu erhöhen, eine homogene Verbrennung durchzuführen, den Brennstoff zu reformieren und einen Abgasbestandteil nach der Verbrennung zu steuern. Als Katalysator kann Rhodium, Ruthenium, Platin, Palladium, Nickel, Kobalt oder eine Legierung verwendet werden, die hauptsächlich diese enthält. Dadurch kann eine Verbrennung selbst bei einem wiederholten Anstieg einer Temperatur stabil durchgeführt werden und ein Abgasbestandteil während der Verbrennung und der Erwärmung gesteuert werden. Besonders im Falle der Verwendung des Abgases nach der Verwendung zur Verbrennung als Brenngas zur Energieerzeugung kann ein Abgasbestandteil durch Steuern der partiellen Oxidationsreaktion und Reformierungsreaktion des Brennstoffs angepasst werden, um die Ausgabe von elektrischer Energie zu steigern.
5 zeigt einen Stapelaufbau gemäß einer erfindungsgemäßen fünften Ausführungsform, bei dem eine Verbrennungsheizplatte 3 verwendet wird, die eine katalytische Trägerschicht mit einem Katalysator der vorhergehenden Eigenschaft umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 1 weist eine Struktur auf, die durch abwechselndes Schichten von Zellenplatten 2 und Verbrennungsheizplatten 3 gebildet wird. Die Zellenplatte 2 weist eine poröse Metallplatte 7, die vorgesehen ist, um als Luftdurchgang zu wirken, und einen Aufbau auf, bei dem eine Luftelektrodenschicht 2c, eine Elektrolytschicht 2a und eine Brennstoffelektrodenschicht 2b in dieser Reihenfolge auf deren Oberfläche ausgebildet sind. Die Verbrennungsheizplatte 3 umfasst einen porösen Verbrennungsträger 3a, eine katalytische Trägerschicht 3e und eine gasundurchlässige Schicht 3b. In der Anlaufzeit der Brennstoffzelle wird dem porösen Verbrennungsträger 3a der Verbrennungsheizplatte 3 ein gemischtes Gas aus Brennstoff zur Erwärmung und Luft zugeführt. Während der Energieerzeugung wird dem porösen Verbrennungsträger 3a nur Brennstoff zugeführt und der porösen Metallplatte 7 der Zellenplatte 2 wird auch Luft zugeführt, um dadurch Energie zu erzeugen.
6 zeigt ein Beispiel eines Stapelaufbaus einer erfindungsgemäßen sechsten Ausführungsform, bei dem eine Verbrennungsheizvorrichtung bei einem zylindrischen Brennstoffzellenstapel verwendet wird. Ein Brennstoffzellenstapel 1 umfasst eine Mehrzahl von zylindrischen Zellen 11 in einer Stapelkammer 10. Darüber hinaus sind auf einer Innenwand der Stapelkammer 10 ein poröser Verbrennungsträger 12a aus einem wärmebeständigen Metallfilz oder der gleichen, eine gasundurchlässige Schicht 12c, die den porösen Verbrennungsträger 12a bedeckt, und eine Verbrennungsheizvorrichtung 12 mit einem Zündmechanismus (nicht dargestellt) vorgesehen. Eine Verbrennungsoberfläche des porösen Verbrennungsträgers 12a ist gegenüber einer Energieerzeugungsschicht der zylindrischen Zelle 11 angeordnet.
Im Brennstoffzellenstapel 1 wird in der Anlaufzeit dem porösen Verbrennungsträger 12a der Kraftstoff zur Erwärmung aus einer Gas-Zuführungsöffnung 12b der Verbrennungsheizvorrichtung 12 zugeführt und die Luft wird aus einer Luft-Zuführungsöffnung 10a der Stapelkammer 10 zugeführt. Folglich wird der Brennstoff zur Erwärmung auf einer Oberfläche des Verbrennungsträgers 12a verbrannt. Durch diese Verbrennung wird die gasundurchlässige Schicht 12c erwärmt. Die Wärme wird von der Oberfläche der erwärmten gasundurchlässigen Schicht 12c ausgehend übertragen und durch diese Wärmeübertragung wird die Mehrzahl der zylindrischen Zellen 11 erwärmt. Vor allem wird die Energieerzeugungsschicht der zylindrischen Zelle 11 rasch erwärmt, wobei eine Temperaturverteilung in der Zelle homogenisiert werden kann. Daher wird der Brennstoffzellenstapel 1 rasch angefahren. Während der Energieerzeugung wird der Brennstoff zur Energieerzeugung aus einer Brennstoff-Zuführungsöffnung 10b zugeführt und die Luft wird aus der Luft-Zuführungsöffnung 10a zugeführt, um dadurch die Energieerzeugung in Gang zu halten. Der restliche Brennstoff des Energieerzeugungsbrennstoffs wird aus einer Brennstoff-Austrittsöffnung 10c der Stapelkammer 10 ausgestoßen und das Verbrennungsabgas oder die restliche Luft werden nach der Energieerzeugung aus einer Luft-Austrittsöffnung 10d ausgestoßen. Bei der Erwärmung in der Anlaufzeit kann das gemischte Gas aus Brennstoff zur Erwärmung und Luft im Üb rigen aus der Gas-Zuführungsöffnung 12b der Verbrennungsheizvorrichtung 12 zugeführt werden. Während der Kühlung kann der poröse Verbrennungsträger 12a durch Zuführung von Kühlluft aus der Gas-Zuführungsöffnung 12b homogen und rasch gekühlt werden.
7A und 7B zeigen jeweils ein Beispiel eines Stapelaufbaus gemäß einer erfindungsgemäßen siebten Ausführungsform, bei dem eine Verbrennungsheizvorrichtung bei einem zylindrischen Brennstoffzellenstapel verwendet wird, der sich von dem der sechsten Ausführungsform unterscheidet. In einem Brennstoffzellenstapel 1 ist eine Mehrzahl von zylindrischen Zellen 11 in einer Stapelkammer 10 vorgesehen. Zudem ist ein poröser Verbrennungsträger 12a einer Verbrennungsheizvorrichtung 12 in der Stapelkammer 10 angeordnet, um Lücken zwischen den zylindrischen Zellen 11 auszufüllen. In diesem Fall ist der poröse Verbrennungsträger 12a vorzugsweise elektrisch isoliert. Alternativ wird zumindest eine Oberfläche, die einer Elektrode auf einer Oberfläche der zylindrischen Zelle 11 zugewandt ist, einer Isolierungsbearbeitung unterzogen. Ferner ist im Zentrum der Stapelkammer 10 ein Einleitungsrohr 13 derart vorgesehen, dass es den porösen Verbrennungsträger 12 von oben nach unten durchdringt, um dem porösen Verbrennungsträger 12a das Gas zur Erwärmung zuzuführen.
Dem Brennstoffzellenstapel 1 wird in der Anlaufzeit gemischtes Gas aus Brennstoff zur Erwärmung und Luft aus einer Brennstoff-Zuführungsöffnung 10b der Stapelkammer 10 zugeführt. Danach wird der Brennstoff zur Erwärmung auf einer Oberfläche des porösen Verbrennungsträgers 12a verbrannt. Die infolge der Verbrennung auf dem porösen Verbrennungsträger 12a erzeugte Wärme wird zur zylindrischen Zelle 11 übertragen. Demzufolge wird jede zylindrische Zelle 11 schneller und homogener erwärmt, wodurch das Anlaufverhalten des Brennstoffzellenstapels verbessert und ein Leistungsverlust des gesamten Brennstoff zellenstapels reduziert wird. Nach einem Temperaturanstieg wird der aus der Brennstoff-Zuführungsöffnung zugeführte Brennstoff zur Energieerzeugung aus den feinen Poren des porösen Verbrennungsträgers 12a ausgestoßen und die Luft wird von einer Luft-Zuführungsöffnung 10 zugeführt, um dadurch Energie zu erzeugen. In diesem Fall wirkt der poröse Verbrennungsträger 12a der Verbrennungsheizvorrichtung 12 als Gasdiffusor, sodass der Brennstoff für die Energieerzeugung allen Zellenoberflächen homogen zugeführt werden kann, und eine Verteilung der Ausgabe von elektrischer Energie homogenisiert werden kann. Die nach der Verwendung für die Energieerzeugung verbleibende Luft wird aus einer Luft-Austrittsöffnung 10d der Stapelkammer 10 ausgestoßen. Der restliche Brennstoff zur Energieerzeugung wird während der Energieerzeugung aus einer Brennstoff-Austrittsöffnung 10c ausgestoßen und das Verbrennungsabgas wird während der Erwärmung ausgestoßen. Ein Heizbereich und ein Abdichtungsbereich 14 der zylindrischen Zelle können in der Anlaufzeit entfernt voneinander installiert werden, sodass eine Beschädigung des Abdichtungsbereichs 14 durch einen Temperaturschock verhindert werden kann. Darüber hinaus können die Zellen-Energieerzeugungsbereiche homogen erwärmt werden, sodass eine Brennstoffzelle erhalten werden kann, die eine hohe Lebensdauer aufweist und rasch eine hohe Leistung erzielt.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung detailliert auf der Basis von Beispielen beschrieben. Es ist jedoch so zu verstehen, dass die Erfindung nicht nur auf die Beschreibungen beschränkt ist.
(Beispiele)
(Erstes Beispiel)
(a) Verbrennungsheizplatte
Als poröser Verbrennungsträger 3a wird ein Metallfilz aus Fe-Cr-Al verwendet, der einen wärmebeständigen Stahl enthält und eine Dicke von 2 mm aufweist. Eine gesamte Oberfläche des Verbrennungsträgers 3a wurde mit einer dünnen Platte (d. h. einer gasundurchlässigen Schicht 3b) aus wärmebeständigem Stahl bedeckt und die Zuführungs- und Austrittöffnungen 3c und 3e für das Heizgas wurden auf Teilen einer Seitenfläche ausgebildet. Dadurch wurde eine Verbrennungsheizplatte 3 erhalten, wie sie in 1 dargestellt ist. Wie im Falle eines normalen Separators kann hierbei eine Materialschicht, die identisch zu einem Elektrodenmaterial einer gegenüberliegenden Zellenplatte ist, auf der gasundurchlässigen Schicht 3b zur Steuerung eines Durchgangs und einer Vergrößerung einer Heizfläche ausgebildet werden.
(b) Zellenplatte (Luftelektrode stützender Typ)
Zuerst wurden ein Lösungsmittel und ein Bindemittel einem Lanthanum-Strontium-Manganat-Pulver LaSrMnO₃ (nachfolgend abgekürzt mit LSM) mit einem Durchschnitts-Partikeldurchmesser von 3 bis 10 μm zugefügt und gemischt. Diese Mischung wurde durch Strangpressen in einer Plattenform ausgeformt. Durch Sintern dieser Platte bei 1300 bis 1500°C wurde eine Luftelektrodenplatte von 50 mm × 50 mm ausgebildet. Danach wurde der Schlamm, der Yttria-stabilisiertes Zirkonium (Yttria-stabilisiertes Zirkonium wird nachfolgend abgekürzt mit YSZ) mit einem Durchschnitts-Partikeldurchmesser von 0,5 μm als Luftelektrode 2c durch einen Schlamm-Beschichtungsprozess auf eine Platte aufgetragen. Diese wurde bei 1200 bis 1400°C gesintert, um eine Elektrolytschicht 2a auszubilden. Danach wurde der Schlamm, der Ni-Pulver mit einem Durchschnitts-Partikeldurchmesser von 1 bis 5 μm und YSZ-Pulver mit einem Durchschnitts-Partikeldurchmesser von 1 μm enthielt, durch den Schlamm-Beschichtungsprozess auf die Elektrolytschicht 2a aufgetragen und bei 1100 bis 1400°C gesintert, um eine Elektrolytschicht 2b auszubilden. Auf diese Weise wurde die Zellenplatte 2 des Luftelektroden-gestützten Typs erhalten.
(c) Schichtung des Stapels
Wie im Fall eines normalen Flachplatten-Stapels, der in 1 dargestellt ist, wurden die Zellenplatten 2 und die Verbrennungsheizplatten 3 abwechselnd durch 10 Lagen geschichtet, um einen Brennstoffzellenstapel 1 zu bilden. Wie im Falle des normalen Flachplatten-Stapels, bei dem die Zellenplatten auf und unter der Separatorschicht durch den Interkonnektor elektrisch seriell angeschlossen sind, wurden die oberen und unteren Zellenplatten 2 durch eine gasundurchlässige Schicht 3b der Verbrennungsheizplatte 3 seriell angeschlossen.
(d) Heiztest
Zum Aufheizen wurde Propan als Brenngas verwendet. Eine Mischung aus Propan und Luft wurde aus einer Gas-Zuführungsöffnung 3c der Verbrennungsheizplatte 3 zugeführt. Die Verbrennung wurde durch eine Zündung gestartet, die durch einen Zündmechanismus durchgeführt wurde, der vor der Gas-Zuführungsöffnung 3c installiert war. Hierbei kann ein Luft-Brennstoffverhältnis des Heizgases oder ein Durchsatz des Gases entsprechend der geforderten Anlaufzeit oder Energieerzeugungstemperatur angepasst werden. Eine Temperatur der Zellenplatte 2 wurde durch ein Thermoelement gemessen, das auf einer Oberfläche der Zellenplatte 2 montiert war, und eine temporäre Veränderung der Zellplatten-Temperatur ermittelt. Danach wurde verifiziert, dass die Temperatur innerhalb von 10 Minuten von Raumtemperatur auf 700°C angestiegen war (siehe 8). Zudem wurde beim Temperaturanstieg beobachtet, dass fast keine Abweichung bei einer Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Zellenplatte 2 aufgetreten war und die Temperatur homogen angestiegen war. Es wurde außerdem verifiziert, dass keine Be schädigungen, wie z. B. Risse oder ein Abblättern, in der Zellenplatte 2 aufgetreten sind.
(e) Energieerzeugungstest
Während die Temperatur der Zellenplatte 2 bei 700°C aufrechterhalten wurde, wurde Wasserstoff als Brenngas zur Energieerzeugung in einen Brennstoffdurchgang eingeleitet und Luft wurde in einen Luftdurchgang 4 eingeleitet, um die Energieerzeugung somit zu starten. Als Folge davon wurde entdeckt, dass eine stabile Ausgabe von elektrischer Energie unmittelbar nach dem Temperaturanstieg auf 700°C erreicht und eine Ausgabe von elektrischer Energie von 0,1 W/cm² erzielt werden konnte (siehe 8).
(Zweites Beispiel)
Es wurde eine Zellenplatte 2 ähnlich der des ersten Beispiels verwendet. Darüber hinaus wurde eine Verbrennungsheizplatte 3 eines Typs mit einem Aufbau verwendet, der im Wesentlichen ähnlich dem der im ersten Beispiel dargestellten Verbrennungsheizplatte 3 war, bei der keine gasundurchlässigen Schichten auf einer Oberfläche gegenüber der Zellenplatte 2 ausgebildet waren. Außerdem wurde ein Separator 6 mit Durchgängen für Brennstoff- und Luftelektrodenmaterialien verwendet, die auf beiden Oberflächen einer lanthan-chrom-haltigen Oxidplatte ausgebildet waren. Wie in 2 dargestellt, wurde ein Separator aus je zwei Separatoren in einem normalen Stapel, der durch abwechselndes Schichten der Zellenplatten und der Separatoren gebildet wurde, durch eine Verbrennungsheizplatte 3 ersetzt. Dementsprechend wurde ein Brennstoffzellenstapel 1 gebildet, der vier Zellenplatten 2, zwei Verbrennungsheizplatten 3 und drei Separatoren 6 (Separator 6, Zellenplatte 2, Verbrennungsheizplatte 3, Zellenplatte 2, Separator 6, Zellenplatte 2, Verbrennungsheizplatte 3, Zellenplatte 2 und Separa tor 6) umfasst. Zudem wurden die Zellenplatten 2, wie im Falle des ersten Beispiels, durch die gasundurchlässige Schicht 3b der Verbrennungsheizplatte 3 seriell angeschlossen.
In der Anlaufzeit wurde Propangas aus einer Gas-Zuführungsöffnung 3c der Verbrennungsheizplatte 3 zugeführt und Luft wurde in einen Luftdurchgang 4 eingeleitet. Das Aufheizen wurde durch eine Zündung gestartet, die durch einen Zündmechanismus durchgeführt wurde, der in der Heizplatte 3 montiert war. Nachdem eine Temperatur auf eine vorgegebene Temperatur angestiegen war, wurde ein Durchsatz des Brennstoffs (des Propangases) zum Aufheizen gestoppt oder reduziert, und Wasserstoff wurde als Brenngas zur Energieerzeugung einem Brennstoffdurchgang 5 zugeführt, um dadurch die Energieerzeugung zu starten. Bei der Brennstoffzelle dieses Beispiels wurde verifiziert, dass die Temperatur in circa 15 Minuten von Raumtemperatur auf 700°C angestiegen war. Zudem wurde verifiziert, dass nach dem Temperaturanstieg eine Ausgabe von elektrischer Energie von 0,2 W/cm² erreicht werden konnte.
(Drittes Beispiel)
Es wurde eine Zellenplatte 2 ähnlich der des ersten Beispiels verwendet. Als poröser Verbrennungsträger 3a wurde wie im Fall eines üblichen katalytischen Konverters zur Abgasverarbeitung eine Pt tragende Cordierit-Wabe als Katalysator verwendet. Eine Verbrennungsheizplatte 3 wurde verwendet, die keine auf einer Oberfläche gegenüber der Zellenplatte 2 im Verbrennungsträger 3a ausgebildete gasundurchlässige Schichten 3b aufwies. Mit Ausnahme der Verwendung der Verbrennungsheizplatte 3 mit einer solchen Eigenschaft wurde ein Brennstoffzellenstapel 1 mit einem geschichteten Aufbau ähnlich dem des ersten Beispiels (siehe 3) erhalten.
In der Anlaufzeit der Brennstoffzelle wurde ein gemischtes Gas aus Brennstof (Propangas) zum Aufheizen und Luft aus einer Gas-Zuführungsöffnung 3c der Verbrennungsheizplatte 3 eingeleitet, um die Zellenplatte dadurch zu erwärmen. Nachdem eine Temperatur auf eine vorgegebene Temperatur angestiegen war, wurde das Luft-Brennstoffverhältnis reduziert und das Brenngas zur Energieerzeugung (Wasserstoff) einem Brennstoffdurchgang 5 zugeführt, um dadurch die Energieerzeugung zu starten. Bei der Brennstoffzelle dieses Beispiels wurde Pt als Katalysator verwendet, sodass die Verbrennung des Brennstoffs zur Erwärmung homogen und effizient wurde, wobei ein Aufheizen durch die Verbrennung ohne eine Verkohlung, die ein Verstopfen verursacht, ermöglicht wurde. Darüber hinaus wirkt ein poröser Verbrennungsträger 3a der Verbrennungsheizplatte 3 als Luftdiffusor, sodass das Gas zur Energieerzeugung einer gesamten Oberfläche der Zellenplatte 2 homogen zugeführt werden kann und eine Verteilung der Ausgabe von elektrischer Energie homogenisiert werden kann. Bei der Brennstoffzelle wurde verifiziert, dass die Temperatur in circa 17 Minuten von Raumtemperatur auf 700°C erhöht werden konnte. Es wurde außerdem verifiziert, dass nach dem Temperaturanstieg eine Ausgabe von elektrischer Energie von 0,2 W/cm² erzielt werden konnte.
(Viertes Beispiel)
Es wurde eine Zellenplatte 2 ähnlich der des ersten Beispiels verwendet. Eine Zellenplatte 2' mit einer zu der der Zellenplatte 2 umgekehrten Ausbildung der Oberflächen der Brennstoff- und Luftelektrodenschichten 2b und 2c wurde verwendet. Es wurde eine Verbrennungsheizplatte 3 eines Typs mit einem Aufbau, der im Wesentlichen ähnlich dem der im ersten Beispiel dargestellten Verbrennungsheizplatte 3 ist, aber mit Öffnungen verwendet, in denen keine gasundurchlässige Schichten 3b auf beiden Oberflächen eines Verbrennungsträgers 2a ausgebildet sind. Wie in 4 dargestellt, wurde ein Brennstoffzellen stapel 1 erhalten, der durch Einfügen von insgesamt sechs Zellenplatten 2 und 2' und drei Verbrennungsheizplatten 3 gebildet wurde, wobei eine Zellenplatte 2, eine Zellenplatte 2', eine Verbrennungsheizplatte 3, eine Zellenplatte 2, eine Zellenplatte 2' und eine Verbrennungsheizplatte 3 in dieser Reihenfolge geschichtet waren.
Bei der Brennstoffzelle, die den Stapel 1 verwendet, wurde die geschichtete Dichte der Zellenplatten pro Volumeneinheit erhöht, um dadurch eine Leistungsdichte zu steigern. Zudem können die Zellenplatten 2 und 2' rasch gleichmäßig erwärmt werden, um die Manövrierfähigkeit dadurch zu verbessern. Bei der Brennstoffzelle wurde verifiziert, dass sich die Temperatur in circa 18 Minuten Von Raumtemperatur auf 700°C erhöht hat. Es wurde ferner verifiziert, dass nach dem Temperaturanstieg eine Ausgabe von elektrischer Energie von 0,25 W/cm² erzielt werden konnte.
(Fünftes Beispiel)
Ein in 9A und 9B dargestellter Brennstoffzellenstapel 1 wurde hergestellt. Konkret wurde ein Brennstoffzellenstapel 1 durch abwechselndes Schichten einer Zellenplatte 2, ähnlich der des ersten Beispiels, einer Verbrennungsheizplatte 3, die mit einem porösen Verbrennungsträger 3a versehen war, der einen Katalysator mit Pt trägt, und ein dehnbares Metall 8 aus Inconal ausgebildet. Ferner wurde eine Stromsammelplatte 9 aus Inconel auf den Verbundkörper geschichtet. Wie in 10A bis 10D dargestellt, wurde der Brennstoffzellenstapel 1 in einem Gehäuse 20 befestigt. Um die gasundurchlässige Schicht 3b der Verbrennungsheizplatte 3 zu isolieren, wurde ein Aluminiumoxid-Isolierelement 21 auf deren Ende gelötet. Außerdem wurde eine Lücke zwischen dem Gehäuse 20 und dem Brennstoffzellenstapel 1 mit einer Keramikwolle aufgefüllt, wodurch verhindert wurde, dass sich der Brennstoffzellenstapel 1 im Gehäuse 20 bewegt.
In der Anlaufzeit der Brennstoffzelle wurde ein gemischtes Gas aus Brennstoff (Propangas) zum Aufheizen und Luft in die Verbrennungsheizplatte 3 eingeleitet, um die Zellenplatte 2 dadurch zu erwärmen. Nachdem sich eine Temperatur auf eine vorgegebene Temperatur erhöht hatte, wurde Brennstoff zur Energieerzeugung (Wasserstoff) der Verbrennungsheizplatte 3 zugeführt und Luft wurde dem Gehäuse 20 zugeführt, um dadurch die Energieerzeugung auszuführen. Bei der Brennstoffzelle dieses Beispiels wurde verifiziert, dass die Temperatur in circa 20 Minuten von Raumtemperatur auf 700°C erhöht werden konnte. Es wurde außerdem verifiziert, dass nach dem Temperaturanstieg eine Ausgabe von elektrischer Leistung von 0,18 W/cm² erzielt werden konnte.
(Sechstes Beispiel)
Eine zylindrische Zelle 11 wurde durch sequenzielles Ausbilden einer Brennstoffelektrodenschicht aus YSZ-NiO-Cermet und einer Luftelektrodenschicht aus LSM auf einem äußeren Umfangsteil eines elektrolytischen Basisrohrs aus YSZ aufgebaut. Die zylindrische Zelle 11 repräsentiert eine bekannte Technologie. Durch Anordnen von zehn zylindrischen Zellen 11 in einer Stapelkammer 10 wurde ein zylindrischer Brennstoffzellenstapel 1, wie in 6 dargestellt, hergestellt. Eine Verbrennungsheizvorrichtung 12 ist auf einer Innenwandfläche der Stapelkammer 10 montiert. Metallfilze (als poröse Verbrennungsträger) 12a aus wärmebeständigem Stahl sind in der Umgebung einer Energieerzeugungsschicht der zylindrischen Zelle 11 einander gegenüberliegend angeordnet. Eine gasundurchlässige Schicht 12c ist auf einer Seitenfläche des wärmebeständigem Stahl-Metallfilzes 12a ausgebildet und eine Gas-Zuführungsöffnung 12b ist auf deren Rückseite ausgebildet.
In der Anlaufzeit der Brennstoffzelle wird eine Mischung aus Brennstoff zum Aufheizen und Luft aus der Gas-Zuführungsöffnung 12b auf der Rückseite der Verbrennungsheizvorrichtung 12 eingeleitet. Danach wird der Brennstoff durch eine Zündung verbrannt, die von einem Zündmechanismus ausgeführt wird, wodurch die zylindrischen Zellen 11 erwärmt werden. Nach einem Temperaturanstieg wird nur die Luft oder das gemischte Gas mit einem angestiegenen Luft-Brennstoffverhältnis aus der Gas-Zuführungsöffnung 12b zugeführt, und die Luft wird aus einer Luft-Zuführungsöffnung 10a zugeführt, um dadurch die Energieerzeugung auszuführen. Um eine Verbrennungstemperatur der Verbrennungsheizvorrichtung 12 aufrecht zu erhalten, kann im Übrigen auch während der Energieerzeugung das gemischte Gas aus Brennstoff zum Aufheizen und Luft aus der Gas-Zuführungsöffnung 12b der Verbrennungsheizvorrichtung 12 zugeführt werden, während die Luft aus der Luft-Zuführungsöffnung 10a zugeführt wird.
(Siebtes Beispiel)
Ein wie in 7A und 7B dargestellter zylindrischer Brennstoffzellenstapel 1 wurde hergestellt, indem die im sechsten Beispiel verwendeten zehn zylindrische Zellen 11 in einer Stapelkammer 10 angeordnet wurden. Beim zylindrischen Brennstoffzellenstapel 1 wurde als poröser Verbrennungsträger 12a einer Verbrennungsheizvorrichtung 12 ein keramischer Träger aus Cordierit verwendet. Im porösen Verbrennungsträger 12a waren Durchgangslöcher zum Einsetzen der zylindrischen Zellen 11 ausgebildet. Ferner wurde auf dem porösen Verbrennungsträger 12a ein Katalysator mit Funktionen zur Stabilisierung der Verbrennung und Reformierung des Brennstoffs getragen.
In der Anlaufzeit der Brennstoffzelle wird gemischtes Gas aus Brennstoff zum Aufheizen und Luft aus einer Brennstoff-Zuführungsöffnung 10b der Stapelkammer 10 zugeführt. Nach einem Temperaturanstieg wird nur der Brennstoff zur Energieerzeugung oder das gemischte Gas mit einem hohen Brennstoff-Luftverhältnis zur Energieerzeugung aus der Brennstoff-Zuführungsöffnung 10b zugeführt und Luft wird von einer Luft-Zuführungsöffnung 10a zugeführt, wodurch die Energieerzeugung ausgeführt wird.
Wie oben gemäß der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung beschrieben, ist die Verbrennungsheizvorrichtung im Brennstoffzellenstapel angeordnet. Daher kann die Energieerzeugungsschicht der Zellenplatte oder die zylindrische Zelle direkt, gleichmäßig, homogen und rasch aufgeheizt werden und die Anlaufzeit, wie z. B. die Inbetriebnahme der Brennstoffzelle oder der Wiederanlauf, können verkürzt werden. Darüber hinaus bewirkt die vorliegende Erfindung einen Effekt, dass ein elektrischer Energieverlust dadurch reduziert werden kann, indem eine lokale Veränderung bei der Ausgabe von elektrischer Energie verhindert wird und die Energie mit einer hohen Leistungsdichte unmittelbar nach dem Beginn der Energieerzeugung erzeugt werden kann.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Inhalte die in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2001-332088 enthalten sind, die am 30. Oktober 2001 eingereicht wurde.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung spezifischer Begriffe beschrieben wurden, dient eine solche Beschreibung nur zu Anschauungszwecken. Es ist so zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen oder Konstruktionen beschränkt ist. Die Erfindung ist im Gegenteil dazu bestimmt, um verschiedenartige Modifikationen und äquivalente Anordnungen ab zudecken. Während die verschiedenartigen Elemente der bevorzugten Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen dargestellt sind, die beispielhaften Charakter haben, liegen andere Kombinationen und Konfigurationen die mehr, weniger oder nur ein einziges Element umfassen, auch im Umfang der Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Brennstoffzellenstapel, – mit einer Mehrzahl von Zellenelementen und – mit zumindest einer Verbrennungsheizvorrichtung (3, 12), die zwischen mindestens zwei Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels vorgesehen ist, um Brennstoff im Inneren des Brennstoffzellenstapels zu verbrennen, um die Zellenelemente aufzuwärmen, wobei die Verbrennungsheizvorrichtung eine Gas-Zuführungsöffnung zur Zuführung von Gas von außerhalb des Brennstoffzellenstapels in die Verbrennungsheizvorrichtung, einen porösen Verbrennungsträger (3a) und eine undurchlässige Gasschicht (3b) aufweist, die einen Teil der Oberfläche des porösen Verbrennungsträgers (3a) bedeckt, wobei der unbedeckte Teil dem verbrannten Brennstoff ermöglicht, direkt entweder zu einer Anoden- oder einer Kathoden-Oberfläche zu fließen, ohne den Zellenstapel zu verlassen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Zellenelemente Zellplatten (2) sind, die eine Anode, eine Kathode und eine Elektrolytplatte aufweisen, und die mindestens eine Verbrennungsheizvorrichtung eine Verbrennungsheizplatte (3) ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2, wobei ein Teil der undurchlässigen Gasschicht (3b), die der Zellenplatte (2) zugewandt ist, in Richtung der Zellenplatte (2) geöffnet ist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der poröse Verbrennungsträger (3a) als Gasdurchgang zur Energieerzeugung wirkt.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die undurchlässige Gasschicht (3b) ein Interkonnektor ist und deshalb eine elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Katalysator (3e) auf dem porösen Verbrennungsträger (3a) getragen wird.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Zellenelemente zylindrische Zellen mit einer Brennstoffelektrode, einer Luftelektrode und einem elektrolytischen Basisrohr sind; und der poröse Verbrennungsträger eine zylindrische Scheibe (12a) mit Durchgangslöchern zum Einsetzen von zylindrischen Zellen (11) ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 7, wobei der Brennstoffzellenstapel ferner eine Stapelkammer (10) aufweist und die Verbrennungsheizvorrichtung eine Mehrzahl von porösen Verbrennungsträgern (12a) aufweist, die im Innern der Stapelkammer angeordnet sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, wobei eine Verbrennungsoberfläche des porösen Verbrennungsträgers (12a) gegenüber einer Energieerzeugungsschicht der zylindrischen Zelle (11) angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, wobei die Mehrzahl der porösen Verbrennungsträger (12a) angeordnet ist, um Lücken zwischen den zylindrischen Zellen (11) auszufüllen.
Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei dem porösen Verbrennungsträger (12a) der Verbrennungsheizvorrichtung Brennstoff zur Verbrennung zugeführt wird und der Stapelkammer (10) Luft zugeführt wird.