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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Festoxid-Brennstoffzelienstapel.
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Die
hauptsächlichen
Varianten der Festoxid-Brennstoffzellen sind die röhrenförmigen Festoxid-Brennstoffzellen
(T-SOFC), die planaren Festoxid-Brennstoffzellen
(P-SOFC) und die monolithischen Festoxid-Brennstoffzellen (M-SOFC).
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Die
röhrenförmige Festoxid-Brennstoffzelle besteht
aus einem röhrenförmigen Festoxid-Elektrolytkörper, der
innere und äußere Elektroden
aufweist.
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Die
monolithische Festoxid-Brennstoffzelle weist zwei Varianten auf.
Die erste Variante besitzt einen planaren Festoxid-Elektrolytkörper, der
Elektroden an seinen beiden Hauptoberflächen trägt. Die zweite Variante besteht
aus einem gewellten Festoxid-Elektrolytkörper, der Elektroden an seinen
beiden Hauptoberflächen
trägt.
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Unser
europäisches
Patent
EP0668622B1 beschreibt
eine neuartige Festoxid-Brennstoffzelle, die
aus mehreren Modulen besteht. Einige dieser Module bestehen aus
Hohlkörpern,
die zwei parallele Oberflächen
aufweisen, auf denen die Festoxid-Brennstoffzellen angeordnet sind. Die
gegenüber liegenden
Enden eines jeden Moduls sind über
konforme Balgverbindungen an Reaktantleitungen angeschlossen.
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Eine
derartige Anordnung schafft aber keine genügende thermische und mechanische
Compliance in dem Festoxid-Brennstoffzellenstapel, um die mechanischen
und thermischen Beanspruchungen in dem Festoxid-Brennstoffzellenstapel zu vermindern.
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Daher
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Festoxid-Brennstoffzellenstapel
zu schaffen, bei dem die erwähnten
Probleme vermindert und vorzugsweise vollständig gelöst sind.
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Demgemäß betrifft
die vorliegende Erfindung einen Festoxid-Brennstoffzellenstapel,
bestehend aus einer Vielzahl von Modulen, wobei jedes Modul einen
langgestreckten Hohlkörper
aufweist und jeder Hohlkörper
wenigstens eine in Längsrichtung
durch den Hohlkörper
verlaufende Passage für
die Strömung
des Recktanten aufweist und jeder Hohlkörper zwei parallele, flache
Oberflächen
besitzt, wobei wenigstens eines der Module mehrere Festoxid-Brennstoffzellen
trägt und
die Festoxid-Brennstoffzellen auf wenigstens einer der flachen Oberflächen des
wenigstens einen Moduls angeordnet sind, wobei die Oberflächen benachbarter
Module im Wesentlichen parallel und im Abstand zueinander angeordnet
sind, und wobei wenigstens ein Ende eines jeden Moduls mit einem
Ende eines benachbarten Moduls verbunden ist, damit der Reaktant
nacheinander so durch die Module strömen kann, dass die thermischen
und mechanischen Beanspruchungen in dem Festoxid-Brennstoffzellenstapel
verringert werden.
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Vorzugsweise
umfasst der Festoxid-Brennstoffzellenstapel eine Leitung zur Zuführung eines Recktanten
und eine Leitung zur Abführung
des Recktanten, wobei jedes Modul ein erstes Ende und ein zweites
Ende aufweist und das erste Ende eines ersten Moduls mit der Leitung
verbunden ist, um den Recktanten dem ersten Modul zuzuführen und
das zweite Ende eines zweiten Moduls mit der Leitung verbunden ist,
um den Recktanten von dem zweiten Modul abzuführen, und wobei das zweite
Ende des ersten Moduls mit dem ersten Ende eines benachbarten Moduls
verbunden ist und das erste Ende des zweiten Moduls mit dem zweiten
Ende eines benachbarten Moduls verbunden ist.
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Das
zweite Ende des ersten Moduls kann mit dem ersten Ende des zweiten
Moduls verbunden sein.
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Vorzugsweise
weist jeder Hohlkörper
mehrere Passagen auf.
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Wenigstens
ein Hohlkörper
kann gegenüber den
anderen Hohlkörpern
eine unterschiedliche Länge
aufweisen.
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Vorzugsweise
weist das wenigstens eine Modul mehrere Brennstoffzellen auf beiden
flachen Oberflächen
des Moduls auf.
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Jedes
Modul kann mehrere Festoxid-Brennstoffzellen tragen.
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Wenigstens
eines der Module kann einen Wärmeaustauscher
aufweisen.
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Wenigstens
eines der Module kann einen Brennstoffreformer aufweisen. Das wenigstens
eine Modul kann einen Katalysator in der wenigstens einen Passage
durch den Hohlkörper
aufweisen. Der Katalysator kann auf den Oberflächen der wenigstens einen Passage
durch den Hohlkörper
vorgesehen sein.
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Es
kann ein Glied in der wenigstens einen Passage durch den Hohlkörper vorgesehen
sein. Das Glied kann eine Drahtspule sein. Das Glied kann so angeordnet
und ausgebildet sein, dass zusammen mit dem Hohlkörper ein
schraubenlinienförmiger Strömungspfad
durch die Passage gebildet wird. Der Katalysator kann auf dem Glied
angeordnet sein.
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Jedes
Modul kann mit einem benachbarten Modul durch eine Endkappe verbunden
sein.
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Jedes
Modul kann an ein benachbartes Modul durch einen Abstandshalter
angeschlossen sein. Der Abstandshalter kann aus einer Keramik-Unterlegscheibe
oder einer metallischen Unterlegscheibe bestehen.
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Vorzugsweise
umfasst der Festoxid-Brennstoffzellenstapel bis zu 20 Module.
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Vorzugsweise
haben die Module eine Länge zwischen
50 mm und 2000 mm. Vorzugsweise haben die Module eine Breite zwischen
20 mm und 300 mm. Vorzugsweise haben die Module eine Dicke bis zu
30 mm, und es ist noch zweckmäßiger, wenn
die Module eine Dicke bis zu 10 mm aufweisen.
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Die
Mittellinien benachbarter Module können im Wesentlichen in der
gleichen Ebene angeordnet sein, um eine wellenförmige Anordnung von Modulen zu
bilden.
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Stattdessen
können
die Mittellinien benachbarter Module in unterschiedlichen Ebenen
liegen und eine schraubenlinienförmige
Anordnung von Modulen bilden. Die Mittellinien benachbarter Module können senkrecht
zueinander angeordnet sein. Die Mittellinien benachbarter Module
können
auch unter einem Winkel von 45°,
oder 52° oder
60° angeordnet sein.
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Vorzugsweise
ist wenigstens ein Dämpfungsglied
zwischen benachbarten Modulen angeordnet. Das Dämpfungsglied kann ein elastischer, gewellter
Körper
sein, oder das Dämpfungsglied kann
ein elastischer, C-förmiger
Körper
sein.
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Vorzugsweise
umfasst jede Festoxid-Brennstoffzelle eine Anodenelektrode, eine
Kathodenelektrode und einen Festoxid-Elektrolyten.
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Vorzugsweise
sind die Anodenelektroden auf den flachen Oberflächen des langgestreckten Hohlkörpers angeordnet.
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Die
wenigstens eine Passage des wenigstens einen langgestreckten Hohlkörpers kann über seine
Länge eine
sich verändernde
Querschnittsfläche
aufweisen. Die wenigstens eine Passage kann eine konvergierende
oder divergierende Passage sein.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist
eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines Festoxid-Brennstoffzellenstapels
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Seitenansicht eines Moduls des Festoxid-Brennstoffzellenstapels gemäß 1;
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3 ist
ein Teilschnitt durch das Modul gemäß 2;
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4 ist
in größerem Maßstab gezeichnet eine
Schnittansicht der Enden zweier benachbarter Module und eines Verbinders;
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5 ist
in größerem Maßstab gezeichnet eine
Schnittansicht der Enden zweier benachbarter Module und eines abgewandelten
Verbinders;
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6 ist
in größerem Maßstab gezeichnet eine
Schnittansicht der Enden zweier benachbarter Module und eines abgewandelten
Verbinders;
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7 ist
eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines abgewandelten
Festoxid-Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung;
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8 ist
eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines weiteren
Festoxid-Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung;
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9 ist
eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines weiteren
Festoxid-Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Ein
Festoxid-Brennstoffzellenstepel 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
ist in den 1 bis 5 dargestellt.
Der Festoxid-Brennstoffzellenstapel 10 umfasst mehrere
Module 12, die innerhalb eines Gehäuses 13 angeordnet
sind. Jedes Modul 12 besteht aus einem langgestreckten
Hohlkörper 14. Die
Hohlkörper 14 sind
aus einem vollständig
oder teilweise stabilisierten Zirkonoxid, aus Aluminiumoxid, aus
Siliziumkarbid, aus mit Magnesiumoxid dotiertem Magnesiumoxid-Aluminat
oder anderen geeigneten Keramikmaterialien hergestellt. Jeder Hohlkörper 14 besitzt
zwei parallele Oberflächen 16 und 18,
auf denen Festoxid-Brennstoffzellen 20 angeordnet sind.
Die Hohlkörper 14 sind
porös,
damit Brennstoff nach den Festoxid-Brennstoffzellen 20 strömen kann.
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Die
Festoxid-Brennstoffzellen 20 sind, wie aus 2 und 3 ersichtlich,
in Längsrichtung entlang
der Oberflächen 16 und 18 distanziert
angeordnet, und die Festoxid-Brennstoffzellen 20 auf jeder
Oberfläche 16 und 18 sind
elektrisch in Reihe geschaltet.
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Jede
Festoxid-Brennstoffzelle 20 weist, wie aus 3 ersichtlich,
eine Anodenelektrode 22, einen Festoxid-Elektrolyten 24 und
eine Kathodenelektrode 26 auf. Die Anodenelektroden 22 sämtlicher Brennstoffzellen 20,
bis auf eine, auf jeder der Oberflächen 16 und 18 sind
elektrisch mit der Kathodenelektrode 26 einer benachbarten
Brennstoffzelle 18 durch jeweils eine von mehreren Verbindungen 28 verbunden.
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Jeder
Hohlkörper 14 weist
eine Passage 32 auf, die sich in Längsrichtung durch den Hohlkörper 14 erstreckt,
um Brennstoff den Festoxid-Brennstoffzellen 20 zuzuführen. Der
Brennstoff diffundiert durch die Hohlkörper 14 nach den Anodenelektroden 22 der
Brennstoffzellen 20. Die Passagen 32 in jedem Hohlkörper 14 haben
eine gleiche Querschnittsfläche über ihre
Länge.
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Jedes
Modul 12 hat ein erstes Ende 34 und ein zweites
Ende 36, und die Module 12 sind so angeordnet,
dass das erste Ende 34 eines ersten der Module 12A mit
einer Brennstoffzuführungsleitung 38 verbunden
ist. Das zweite Ende 36 eines zweiten Moduls 12B ist
mit einer Brennstoffableitung 40 verbunden, wie dies aus 1 ersichtlich
ist. Das erste Ende 34 jedes Moduls 12C und des
Moduls 12B ist mit dem zweiten Ende 36 eines benachbarten
Moduls 12C und 12A über jeweils mehrere Verbinder 42 verbunden.
Die Verbinder 42 bestehen aus einem Metall oder einem Keramikmaterial,
das einen ähnlichen,
vorzugsweise den gleichen, thermischen Expansionskoeffizienten besitzt
wie der Hohlkörper 14, wie
dies in 1 dargestellt ist.
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Demgemäß ist jedes
Modul 12 so angeordnet, dass die Oberflächen 16 und 18 des
Hohlkörpers 14 im
Wesentlichen parallel und im Abstand zueinander stehen. Die Module 12 sind
so angeordnet, dass die Oberflächen 16 und 18 benachbarter
Module 12 im Wesentlichen parallel und im Abstand zueinander liegen.
Außerdem
sind die Module 12 so angeordnet, dass sie eine Wellenanordnung
von Modulen 12 bilden. Demgemäß strömt der Brennstoff aus der Brennstoffzuführungsleitung 38 nacheinander
durch die Module 12A, 12C und 12B nach
der Brennstoffableitung 40 über einen serpentinförmigen Strömungspfad,
wie dies aus 1 ersichtlich ist.
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Zusätzlich strömt Luft
oder Sauerstoff durch den Raum zwischen den Modulen 12 in
einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung
der Module 12. Ein Dämpfungsglied
oder mehrere Dämpfungsglieder 37A, 37B oder 37C sind
vorzugsweise an geeigneten Stellen zwischen benachbarten Modulen 12 angeordnet.
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Jedes
Dämpfungsglied 37A ist
aus einem elastischen Federmaterial, beispielsweise einem Metall,
gefertigt und in eine Wellenform überführt. Jedes Dämpfungsglied 37A ist
so angeordnet, dass es an den Oberflächen der benachbarten Module 12 anstößt. Das
Dämpfungsglied 37A ist
mit einem elektrisch isolierenden Überzug versehen, wenn es an den
Brennstoffzellen 20 anstößt. Die Dämpfungsglieder 37A haben
den zusätzlichen
Vorteil, dass sie als Strömungsdirektoren
wirken und die Luftströmung oder
die Sauerstoffströmung
in der erforderlichen Richtung über
die Kathoden 26 der Brennstoffzellen 20 richten.
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Jedes
Dämpfungsglied 37B ist
aus einem elastischen Federmaterial, beispielsweise einem Metall,
gefertigt und in eine C-Form überführt. Jedes Dämpfungsglied 37B stößt gegen
die Oberflächen benachbarter
Module 12. Das Dämpfungsglied 37B ist mit
einem elektrisch isolierenden Überzug
versehen, wenn es an die Brennstoffzellen 20 anstößt.
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Jedes
Dämpfungsglied 37C ist
aus einem elastischen Federmaterial, beispielsweise einem gewebten
Keramikband, gefertigt. Jedes Dämpfungsglied 37C stößt gegen
die Oberflächen
benachbarter Module 12. Das Dämpfungsglied 37C erfordert
keinen elektrisch isolierenden Überzug,
selbst wenn es gegen die Brennstoffzellen 20 anstößt.
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Es
ist eine elektrische Verbindung zwischen den Festoxid-Brennstoffzellen 20 auf
den Oberflächen 16 und 18 jedes
Moduls 12 vorgesehen, indem eine elektrische Verbindung
zwischen den Verbindern 30 angeordnet ist. In 3 sind
die Brennstoffzellen 20 symmetrisch auf jedem Modul 12 angeordnet,
und eine Kathodenelektrode 26 einer der Brennstoffzellen 20 auf
der Oberfläche 16 am
ersten Ende 34 eines jeden Moduls 12 ist elektrisch
mit einer Kathodenelektrode 26 einer der Brennstoffzellen 20 auf der
Oberfläche 18 am
ersten Ende 34 des jeweiligen Moduls 12 über die
Verbinder 30 angeschlossen. Die elektrische Verbindung
umfasst ein elektrisch leitfähiges
Band 33, das um das Modul 12 gewickelt ist, und vorzugsweise
besteht das Band 33 aus Platin. In gleicher Weise ist eine
Anodenelektrode 22 einer der Brennstoffzellen 20 auf
der Oberfläche 16 am
zweiten Ende 36 eines jeden Moduls 12 elektrisch
mit einer Anodenelektrode 22 einer der Brennstoffzellen 20 auf
der Oberfläche 18 am
zweiten Ende 36 des jeweiligen Moduls 12 über die
Verbinder 30 angeschlossen. Die elektrische Verbindung
umfasst wiederum ein elektrisch leitfähiges Band, das um das Modul 12 herum
gewickelt ist. Bei dieser Anordnung sind die Festoxid-Brennstoffzellen 20 auf
den Oberflächen 16 und 18 eines
jeden Moduls 12 elektrisch in Parallelschaltung unter Benutzung
der Verbinder 30 am ersten Ende 34 und dem zweiten
Ende 36 des Moduls 12 angeschlossen. Benachbarte
Module 12 sind dann elektrisch über die Verbinder 30 in
Reihe geschaltet.
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Gemäß einer
abgewandelten, nicht dargestellten Ausbildung ist die Anodenelektrode 22 einer Brennstoffzelle 20 auf
jeder der Oberflächen 16 und 18 eines
jeden Moduls 12 elektrisch mit einer Kathodenelektrode 26 einer
der Brennstoffzellen 20 auf einer der Oberflächen 18 und 16 eines
benachbarten Moduls 12 über
jeweils einen Verbinder 30 angeschlossen. Bei dieser Anordnung
sind die Festoxid-Brennstoffzellen 20 auf den Oberflächen 16 und 18 benachbarter
Module 12 elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die Verbinder 30 am
ersten Ende 34 und am zweiten Ende 36 des Moduls 12 benutzt
werden.
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Das
erste Ende 34 eines der Module 12, das zweite
Ende 36 eines der Module 12 und ein Verbinder 42 sind
in 4 dargestellt. Das erste Ende 34 eines
der Module 12 ist mit einer oder mehreren Öffnungen 44 versehen,
die durch den Hohlkörper 14 nach
dem benachbarten Modul 12 verlaufen. Das zweite Ende 36 eines
der Module 12 ist mit einer Öffnung oder mehreren Öffnungen 46 versehen.
Die Zahl der Öffnungen 46,
die in dem zweiten Ende 36 eines der Module 12 vorhanden
ist, kann gleich oder unterschiedlich sein wie die Zahl von Öffnungen 44, die
in dem ersten Ende 34 des anderen Moduls 12 angeordnet
sind. Die Öffnungen 46 erstrecken
sich durch den Hohlkörper 14 nach
dem benachbarten Modul 12. Die Öffnungen 44 und 46 in
den Modulen 12 sind ausgerichtet.
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Der
Verbinder 42 ist ein im Wesentlichen T-förmig gestalteter
Körper 48,
der aus einem Stiel 50 und Flanschen 52 und 54 an
einem Ende des Stiels 50 besteht. Der T-förmig gestaltete
Körper 48 kann aus
zwei Stücken
oder aus drei Stücken
bestehen. Beispielsweise können
der Stiel 50 und die Flansche 52 und 54 die
drei getrennten Stücke
bilden. Der Körper 48 ist
derart angeordnet, dass der Stiel 50 des Körpers 48 zwischen
den Enden 34 und 36 der Module 12 liegt.
Der Körper 48 weist
mehrere Öffnungen 56 auf,
die durch den Stiel 50 hindurch verlaufen. Die Zahl der Öffnungen 56,
die in dem Körper 48 vorhanden
sind, kann gleich der Zahl der Öffnungen 44 und 46 sein,
die in dem ersten Ende 34 und dem zweiten Ende 36 des
anderen Moduls 12 angeordnet sind, oder es kann auch eine
unterschiedliche Zahl von Öffnungen
vorgesehen sein.
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Der
Körper 48 trennt
die Enden 34 und 36 benachbarter Module 12 und
verbindet die Enden 34 und 36 der benachbarten
Module 12 miteinander und dichtet sie gegeneinander ab.
Die Öffnungen 44, 46 und 56 ermöglichen
eine Brennstoffströmung
von den Passagen 32 in einem Modul 12 nacheinander durch
die Öffnungen 44, 56 und 46 nach
der Passage 32 in einem benachbarten Modul 12.
Die Flansche 52 und 54 am Ende des Stiels 50 bewirken
eine zusätzliche
Abstützung
für die
Module 12, und sie können die
Enden 34 und 36 der Module 12 abdichten.
Die Öffnungen 44, 46 und 56 haben
irgendeine geeignete Form oder Größe, und sie sind beispielsweise
als kreisförmige
Löcher
oder als Schlitze ausgebildet.
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Die
Flansche 52 und 54 am Ende des Stiels 50 des
Verbinders 42 brauchen nicht kollinear zu sein, so dass
die Enden der Module 12 nicht vollständig ausgerichtet sind.
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Elektrische
Leiter 31 erstrecken sich durch den Stiel 50,
um die Verbinder 30, die den Festoxid-Brennstoffzellen 20 am
Modul 12 zugeordnet sind, mit dem Verbinder 30 zu
verbinden, der den Festoxid-Brennstoffzellen 20 am benachbarten
Modul 12 zugeordnet ist.
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Das
erste Ende 34 eines der Module 12, das zweite
Ende 36 eines der Module 12 und ein abgewandelter
Verbinder 42 sind in 5 dargestellt.
Das erste Ende 34 eines der Module 12 erstreckt
sich in den Verbinder 42, und das zweite Ende 36 eines
der Module 12 erstreckt sich in den Verbinder 42.
Die Enden 34 und 36 sind gegenüber dem Verbinder 42 abgedichtet.
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Der
Verbinder 42 besteht aus einem Hohlkörper 60, der zwei
parallele Schlitze 62 und 64 besitzt, in denen
das erste Ende 34 eines Moduls 12 und das zweite
Ende 36 eines der Module 12 angeordnet ist. Die
Enden 34 und 36 der Module 12 sind offen,
so dass Brennstoff aus der Passage 32 in ein Modul 12 über das
Ende 36 des Moduls 12 strömen kann, um nach einer Wendung
um 180° in
den Verbinder 42 zu strömen
und um dann durch das Ende 34 des benachbarten Moduls 12 in
die Passage 32 des benachbarten Moduls 12 einzuströmen.
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Elektrische
Leiter 31 erstrecken sich längs der inneren Oberfläche des
Verbinders 42, um den Verbinder 30, der den Festoxid-Brennstoffzellen 20 auf
dem einen Modul 12 zugeordnet ist, mit dem Verbinder 30 zu
verbinden, der den Festoxid-Brennstoffzellen 20 des
benachbarten Moduls 12 zugeordnet ist. Die elektrische
Verbindung in den Verbinder 42 gemäß 4 kann auch
für den
Verbinder 42 gemäß 5 angewandt
werden. Der Verbinder 42 gemäß 5 kann entweder
eine oder beide elektrische Verbindungen aufweisen, die in den 4 und 5 dargestellt
sind.
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Das
erste Ende 34 des einen Moduls 12, das zweite
Ende 36 des einen Moduls 12 und ein weiterer Verbinder 42 sind
in 6 dargestellt.
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Der
Verbinder 42 besteht aus einem im Wesentlichen T-förmigen Körper 70,
der einen Stiel 72 und Flansche 74 und 76 aufweist,
die an einem Ende des Stiels 72 angeordnet sind. Der Körper 70 ist
derart angeordnet, dass der Stiel 72 des Körpers 70 zwischen
den Enden 34 und 36 des Moduls 12 zu
liegen kommt. Die Flansche 74 und 76 besitzen
eine maximale Dicke benachbart zum Stiel 72, und ihre Dicke nimmt
vom Stiel 72 her ab, um sich verjüngende Oberflächen zu
bilden. Die sich verjüngenden
Oberflächen
können
unter irgendeinem geeigneten Winkel zueinander verlaufen, und vorzugsweise
unter einem Winkel zwischen 30° und
60°, beispielsweise unter
einem Winkel von 45°.
Die Enden 34 und 36 des Moduls 12 haben
ebenfalls Oberflächen,
die sich mit irgendeinem geeigneten Winkel verjüngen und an den Flanschen 74 und 76 anstoßen. Eine Öffnung oder
mehrere Öffnungen 78 erstrecken
sich durch den Körper 70 zwischen
den sich verjüngenden Oberflächen der
Flansche 74 und 76. Somit können Körper 70 und langgestreckter
Hohlkörper 14 unterschiedliche
Ausdehnungskoeffizienten haben, wenn das Verbindungsmaterial in
der Lage ist, Scherbeanspruchungen aufzunehmen.
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Der
Körper 70 trennt
die Enden 34 und 36 der benachbarten Module 12 und
verbindet die Enden 34 und 36 der benachbarten
Module 12 miteinander und dichtet sie gegeneinander ab.
Die Öffnungen 78 lassen
Brennstoff von der Passage 32 in einem Modul 12 durch
die Öffnungen 78 nach
der Passage 32 in dem benachbarten Modul 12 strömen. Die Flansche 74 und 76 am
Ende des Stiels 72 schaffen eine zusätzliche Abstützung für die Module 12 und dichten
die Enden 34 und 36 des Moduls 12 ab.
Die Öffnungen 78 haben
irgendeine geeignete Gestalt und Größe, und sie sind beispielsweise
als kreisförmige Öffnungen
oder als Schlitze ausgebildet.
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Die
Flansche 74 und 76 am Ende des Stiels 72 des
Verbinders 42 brauchen nicht kollinear zu sein, so dass
die Enden der Module 12 nicht vollständig ausgerichtet sind.
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Elektrische
Leiter 31 erstrecken sich durch den Stiel 72,
um den Verbinder 30, der den Festoxid-Brennstoffzellen 20 auf
einem Modul 12 zugeordnet ist, mit dem Verbinder 30 zu
verbinden, der den Festoxid-Brennstoffzellen 20 des benachbarten
Moduls 12 zugeordnet sind.
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Die
Hohlkörper 14 sind
im Querschnitt vorzugsweise rechteckig und haben rechteckige oder abgerundete
Enden. Die Zahl der Hohlkörper 14 liegt zwischen
2 und 20. Die Hohlkörper 14 haben
eine Länge
zwischen 50 mm und 2000 mm und eine Breite zwischen 20 mm und 300
mm, während
die Dicke bis zu 30 mm beträgt.
Die maximale Dicke beträgt vorzugsweise
10 mm, und die minimale Dicke beträgt vorzugsweise 1 mm, und es
ist noch zweckmäßiger, wenn
die minimale Dicke 3 mm beträgt,
jedoch ist auch eine geringere Dicke möglich.
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Der
Hauptvorteil dieser Anordnung der Module besteht darin, dass die
thermischen und mechanischen Beanspruchungen in dem Festoxid-Brennstoffzellenstapel
vermindert und vorzugsweise vermieden werden. Insbesondere wird
es dadurch möglich,
Herstellungstoleranzen und thermische Beanspruchungen infolge der thermischen
Gradienten und der thermischen Zyklen in dem Festoxid-Brennstoffzellenstapel 10 aufzunehmen,
indem eine Federung oder Flexibilität zwischen den Modulen 12 zugelassen
wird. Die Spannungen werden über
die Verbindungen zwischen den Modulen und durch die Module selbst
verteilt. Dadurch wird die Beständigkeit des
Festoxid-Brennstoffzellenstapels verbessert. Auch ist eine relativ
hohe Packungsdichte von Modulen/Festoxid-Brennstoffzellen möglich.
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Stattdessen
können
sich die elektrischen Verbinder 30 längs der äußeren Oberfläche des
Verbinders 42 erstrecken.
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Ein
abgewandelter Festoxid-Brennstoffzellenstapel 110 gemäß 7 ist
im Wesentlichen gleich ausgebildet wie der Festoxid-Brennstoffzellenstapel 10 gemäß 1.
Der Festoxid-Brennstoffzellenstapel 110 weist mehrere Module 112 auf.
Jedes Modul 112 besteht aus einem langgestreckten Hohlkörper 114.
Die Hohlkörper 114 sind
aus voll oder teilweise stabilisiertem Zirkonoxid, aus Aluminiumoxid, aus
Siliziumkarbid oder aus einem anderen geeigneten Keramikmaterial
hergestellt. Jeder Hohlkörper 114 besitzt
zwei parallele Oberflächen 116 und 118. Die
Hohlkörper 114 sind
porös,
damit Brennstoff nach den Festoxid-Brennstoffzellen strömen kann.
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Einige
der Module 112D besitzen Festoxid-Brennstoffzellen 120,
die auf einer oder beiden Oberflächen 116 und 118 angeordnet
sind. Einige der Module 112E besitzen Festoxid-Brennstoffzellen 120,
die auf beiden der Oberflächen 116 und 118 auf einer
Hälfte
des Moduls 112E angeordnet sind. Beide Oberflächen 116 und 118 der
verbleibenden Hälfte des
Moduls 112E wirken als Wärmeaustauscher 121, um
die Wärme
zu verteilen. Einige der Module 112F besitzen Festoxid-Brennstoffzellen 120,
die auf beiden Oberflächen 116 und 118 auf
einer Hälfte
des Moduls 112F angeordnet sind. Die verbleibende Hälfte des
Moduls 112F weist einen Katalysator 144 auf, der
in der Passage 132 angeordnet ist, um als Reformer 123 zur
Reformierung des Brennstoffs zu wirken. Einige der Module 112G besitzen
keine Festoxid-Brennstoffzellen, und diese Module 112G wirken als
Wärmeaustauscher 121.
Andere Module 112H besitzen keine Festoxid-Brennstoffzellen
und wirken als Katalysator 144, der in den Passagen 132 angeordnet
ist, um als Reformer 123 zur Reformierung des Brennstoffs
zu arbeiten.
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Die
Passagen 132 der Module 112F und der Module 112H können einen
Katalysator 144 auf den Oberflächen der Passagen 132 tragen,
oder es kann ein Katalysator 144 an einem Glied 146 angebracht sein,
das innerhalb der Passage 132 befindlich ist. Das Glied 146 kann
ein spiralförmig
aufgewickelter Draht sein. Stattdessen kann das Glied 146 so
angeordnet und ausgebildet sein, dass es einen schraubenlinienförmigen Strömungspfad
durch die jeweilige Passage 132 mit dem Hohlkörper 114 bildet.
Das Glied 146 wird beispielsweise durch Verdrillung der Enden
des elastischen langgestreckten Teiles gebildet, um eine schraubenlinienförmige Passage
zu erzeugen. Das Glied 146 bewirkt außerdem eine Wärmeübertragung
und eine Massenübertragung.
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Ein
abgewandelter Festoxid-Brennstoffzellenstapel 210 gemäß 8 ist
im Wesentlichen gleich ausgebildet wie der Festoxid-Brennstoffzellenstapel 10 gemäß 1.
Der Festoxid-Brennstoffzellenstapel 210 weist mehrere Module 212 auf.
Die Module 212 sind derart angeordnet, dass die benachbarten
Module 212A und 212B unterschiedliche Längen haben,
und jedes zweite der Module 212A oder der Module 212B besitzt
die gleiche Länge,
um eine gestufte Anordnung zu schaffen.
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Ein
weiterer abgewandelter Festoxid-Brennstoffzellenstapel 310 gemäß 9 ist ähnlich ausgebildet
wie der Festoxid-Brennstoffzellenstapel 10 gemäß 1.
Der Festoxid-Brennstoffzellenstapel 310 besteht aus einer
Mehrzahl von Modulen 312. Die Module 312 sind
so angeordnet, dass benachbarte Module 312A und 312B anders
als jene in 1 angeordnet sind.
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In 1 sind
die Oberflächen 16 und 18 der benachbarten
Module 12A und 12B im Wesentlichen parallel zueinander
angeordnet, und die Mittellinien X der benachbarten Module 12A und 12B erstrecken sich
in Längsrichtung
im Wesentlichen in der gleichen Richtung und in der gleichen Ebene.
So strömt in
benachbarten Modulen 12A und 12C der Brennstoff
in Gegenrichtungen, aber in parallelen Ebenen, und die Brennstoffströmung wird
in den Verbindern um 180° umgelenkt.
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In 9 sind
die Oberflächen 316 und 318 der
benachbarten Module 312A und 312B im Wesentlichen
parallel zueinander angeordnet, und die Mittellinien X benachbarter
Module 312A und 312B erstrecken sich in Längsrichtung
in unterschiedlichen Richtungen oder unter verschiedenen Winkeln.
In 9 sind benachbarte Module 312A und 312B so angeordnet,
dass sie sich in Längsrichtung
senkrecht zueinander erstrecken, und jedes zweite Modul 312A oder 312B ist
so angeordnet, dass es sich in Längsrichtung
im Wesentlichen in der gleichen Richtung erstreckt, um eine rechteckige
Anordnung von Modulen 312 zu schaffen. So strömt in benachbarten
Modulen 312A und 312B der Brennstoff in senkrecht
zueinander stehenden Richtungen in parallelen Ebenen, und der Brennstoff
wird um 90° in
den Verbindern umgelenkt.
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Es
ist in gleicher Weise möglich,
benachbarte Module in irgendeinem anderen geeigneten Winkel, beispielsweise
unter 72°,
anzuordnen, um eine pentagonale Anordnung von Modulen zu bilden,
oder unter 60°,
um eine hexagonale Anordnung von Modulen zu bilden, oder unter 45°, um eine
oktogonale Anordnung von Modulen zu bilden. Demgemäß strömt in benachbarten
Modulen der Brennstoff unter geeigneten Winkeln, aber in parallelen
Ebenen.
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Demgemäß sind die
Module 312 so angeordnet, dass sie eine schraubenlinienförmige Anordnung bilden.
Es ist möglich,
zwei schraubenlinienförmige Anordnungen
von Modulen um die gleiche Achse herum und interdigital anzuordnen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf mehrere Festoxid-Brennstoffzellen beschrieben,
die in Reihenschaltung auf den Oberflächen der langgestreckten Hohlkörper der
Module angeordnet sind, jedoch sind auch andere Anordnungen von
Festoxid-Brennstoffzellen denkbar.
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Die
Erfindung wurde in Verbindung mit einem Aufbau beschrieben, bei
dem die Anodenelektroden der Festoxid-Brennstoffzellen auf den Oberflächen der
langgestreckten Hohlkörper
der Module angeordnet sind, jedoch ist es in gleicher Weise auch
möglich,
die Kathodenelektroden der Festoxid-Brennstoffzellen auf den Oberflächen der
langgestreckten Hohlkörper
der Module anzuordnen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde beschrieben in Verbindung mit einem
Aufbau, bei dem die Passagen in jedem langgestreckten Hohlkörper über die
Länge eine
gleiche Querschnittsfläche
aufweisen. Es ist jedoch auch möglich,
einen oder mehrere der Hohlkörper über ihre
Länge mit
einer sich verändernden
Querschnittsfläche
oder einer ungleichförmigen
Querschnittsfläche
anzuordnen. Die nicht gleichförmige
Passage kann eine konvergierende Passage oder eine divergierende
Passage sein. Die konvergierende Passage beschleunigt die Strömung in
Strömungsrichtung
des Recktanten, und die divergierende Passage diffundiert die Strömung in
Richtung der Strömung
des Recktanten.