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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Wasserstoff/Sauerstoff-Brennstoffzellen;
im Spezielleren Brennstoffzellenstapel, die eine Vielzahl von einzelnen
Zellen umfassen, die durch Leitungselemente verbunden sind; und
ganz speziell ein Brennstoffzellenmodul, das aus vier gestanzten
Metallplatten und einem PEN-Element gebildet ist.
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Hintergrund
der Erfindung
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Brennstoffzellen,
die durch die elektrochemische Reaktionen von Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen
Strom erzeugen, sind gut bekannt. In einer Form solch einer Brennstoffzelle
sind eine anodische Schicht und eine kathodische Schicht auf entgegengesetzten
Flächen
eines aus einem keramischen Festoxid gebildeten Elektrolyten aufgebracht.
Solch eine Brennstoffzelle ist in der Technik als „Festoxid-Brennstoffzelle" (SOFC) bekannt.
Wasserstoff, entweder rein oder aus Kohlenwasserstoffen reformiert,
strömt
entlang der Außenfläche der
Anode und diffundiert in die Anode. Sauerstoff, typischerweise aus
der Luft, strömt
entlang der Außenfläche der
Kathode und diffundiert in die Kathode, wo er ionisiert wird. Die
Sauerstoffanionen werden durch den Elektrolyten hindurch transportiert
und reagieren mit Wasserstoffionen, um Wasser zu bilden. Die Kathode
und die Anode sind extern über
eine Last verbunden, um den Kreis zu vervollständigen, wodurch Elektronen von
der Anode zu der Kathode übertragen
werden. Wenn der Wasserstoff aus „reformierten" Kohlenwasserstoffen
hergeleitet wird, enthält
das reformierte Gas CO, das an der Anode durch einen Oxidationsprozess ähnlich der
Wasserstoffoxidation zu CO2 umgewandelt
wird. Reformiertes Benzin ist ein herkömmlich verwendeter Brennstoff
bei Brennstoffzellenanwendungen für Automobile.
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Eine
einzelne Zelle ist in der Lage, abhängig von der Last eine relativ
geringe Spannung und Leistung, typischerweise zwischen etwa 0,5
Volt und etwa 1,0 Volt und weniger als ungefähr 2 Watt pro cm2 Zellenoberfläche zu erzeugen.
In der Praxis ist es daher üblich,
eine Vielzahl von Zellen in elektrischer Serie zusammenzustapeln.
Da jede Anode und Kathode einen Freiraum für einen Durchgang von Gas über ihre
Oberfläche
aufweisen muss, sind die Zellen durch Abstandhalter um den Umfang
getrennt, die entlüftet
sind, um eine Strömung
von Gas zu den Anoden und Kathoden wie gewünscht zuzulassen, die jedoch
an ihren axialen Flächen
Dichtungen bilden, um einen Gasaustritt von den Seiten des Stapels
zu verhindern. Die Abstandhalter um den Umfang umfassen dielektrische
Schichten, um die Leitungselemente voneinander zu isolieren. Benachbarte
Zellen sind durch „Leiter"-Elemente in dem
Stapel elektrisch verbunden, wobei die Außenflächen der Anoden und Kathoden
mit ihren jeweiligen Leitungselementen durch elektrische Kontakte,
die innerhalb des Gasströmungsraumes
angeordnet sind, typischerweise durch einen Metallschaum, der leicht gasdurchlässig ist,
oder durch leitfähige
Filamente, elektrisch verbunden sind. Die äußersten oder Endleitungselemente
des Stapels definieren elektrische Anschlüsse oder „Stromkollektoren", die über eine Last
verbunden sein können.
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Ein
vollständiges
SOFC-System umfasst typischerweise zusätzliche Nebensysteme, um, neben anderen
Anforderungen: Brennstoff durch Reformieren von Kohlenwasserstoffen
zu erzeugen; den reformierten Brennstoff und Luft, die in den Stapel
eintritt, zu temperieren; dem Kohlenwasserstoffreformer Luft zu
liefern; den Kathoden Luft zur Reaktion mit Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel
zu liefern; Luft zum Kühlen
des Brenn stoffzellenstapels zu liefern; einem Nachbrenner für unverbrauchten
Brennstoff, der aus dem Stapel austritt, Verbrennungsluft zu liefern;
und dem Nachbrenner und dem Stapel Kühlluft zu liefern. Eine vollständige SOFC-Anordnung
umfasst auch ein geeignetes Leitungs- und Ventilsystem wie auch
eine programmierbare, elektronische Steuereinheit (ECU) zum gleichzeitigen
Verwalten der Aktivitäten
der Nebensysteme.
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Die
verschiedenen Komponenten eines Brennstoffzellenstapels, unter Umständen umfassend
die Brennstoffzellen selbst, die Anoden- und Kathodenabstandhalter,
welche die Strömungsdurchgänge über die
Anoden und Kathoden erzeugen, die Dichtungen um den Umfang und die
elektrischen Leitungselemente sind rechteckig und sind entlang aller
vier Kanten perforiert. Wenn die Komponenten aufgestapelt sind,
definieren die Perforationen Brennstoff- und Luftverteiler innerhalb
des Brennstoffzellenstapels, als „Kamine" bekannt, rechtwinkelig zu den Ebenen
der gestapelten Brennstoffzellen, durch die hindurch den einzelnen
Brennstoffzellen Brennstoff und Luft zugeführt und von diesen entfernt
werden kann.
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Es
ist möglich,
die Rahmen- und Leitungselementanordnung aus zwei gestanzten und
geformten Blechstücken
zu bilden. Dieses Herstellungsverfahren erfordert jedoch einen Raum
für einen
Radius der Formfalten, was den für
eine zellenaktive Fläche verfügbaren Raum
verkleinert, wenn das Gesamtvolumen der Anordnung durch Einschränkungen
der Anwendung festgelegt ist. Darüber hinaus gibt es Bereiche
in den Dichtungsflächen
zwischen einer Zellen-/Rahmenanordnung und der nächsten, wo die Metallteile
nicht unterstützt
oder freistehend sind. Infolgedessen können die Metallteile bei den
für eine Festoxid-Brennstoffzelle
erforderlichen hohen Betriebstemperaturen kriechen, was einen Schaden
in den Dichtungsverbindungen und möglicherweise einen verheerenden
Zusammenbruch der Stapelstruktur verursacht. Weitere häufig verwendete
Herstellungsverfah ren erfordern eine kostspielige maschinelle Bearbeitung
der Komponenten, die in der Rahmen- und Leitungselementanordnung
verwendet werden.
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Es
ist ein vorrangiges Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen, bei der die Anordnung
aus kostengünstigen
Brennstoffzellenmodulen und Komponenten gebildet ist.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, solch ein Brennstoffzellenmodul
bereitzustellen, das aus vier gestanzten Blechteilen und einem PEN-Zellenelement gebildet
ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist in ihren verschiedenen Aspekten ausgeführt, wie
in den beigefügten
Ansprüchen
dargelegt.
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Kurz
beschrieben weist ein Brennstoffzellenmodul gemäß der Erfindung vier Blechteile
auf, die aus flachem Material gestanzt sind und keine Formvorgänge wie
Falzen oder Kümpeln
erfordern. Jedes Teil weist eine unterschiedliche, für seine
Funktion geeignete Dicke auf. Da die Teile flach, übereinander gestapelt
und metallurgisch verbindbar sind, ist die zellenaktive Fläche maximiert,
weil kein Raum in radialen Ecken verschwendet wird.
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Das
erste Teil ist ein Zellenhalterrahmen zum Aufnehmen und Tragen eines
PEN-Brennstoffzellenelements. Das zweite Teil ist ein Kathodenabstandhalter,
wobei die Dicke des Abstandhalters die Höhe des Kathodenluftströmungsfeldes
bestimmt. Das dritte Teil ist ein Anodenabstandhalter, wobei die
Dicke des Abstandhalters die Höhe
des Anodenbrennstoffströmungsfeldes
bestimmt. Das vierte Teil ist eine Separatorplatte zum Trennen der
Anodengasströmung
in einer Zelle von der Kathodenluftströmung in einer benachbarten
Zelle in einem Brennstoffzellenstapel. Die vier Platten sind durch
Schweißen
oder Löten
verbunden und können
in jeder Reihenfolge oder Kombination, die für den Montageprozess geeignet
ist, montiert werden. Es kann jede gewünschte Anzahl von Modulen zusammengestapelt
werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
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Jede
der Platten ist entlang ihrer Kanten mit einer Vielzahl von Öffnungen
versehen, die in einem Stapel Verteiler zum Liefern von Brennstoff
und Luft an Strömungsdurchgänge über die
Anoden und Kathoden in einem Brennstoffzellenstapel und zum Entfernen
von verbrauchtem/r Brennstoff und Luft von diesen definieren.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden
Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich,
in denen:
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1 eine
isometrische Explosionsdarstellung einer einzelnen Festoxid-Brennstoffzelle
ist, wobei die verschiedenen Elemente und die Strömungswege
von Brennstoff und Sauerstoff durch die Zelle hindurch gezeigt sind;
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2 eine
isometrische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels ist, die
fünf Zellen
wie die in 1 gezeigte Zelle umfasst;
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3 eine
isometrische, teilweise Explosionsdarstellung ähnlich der in 2 gezeigten
ist, die das Hinzufügen
von Stromkollekto ren, Endplatten und Schrauben zum Bilden eines
vollständigen,
einsatzbereiten Brennstoffzellenstapels zeigt;
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4 eine
isometrische Explosionsdarstellung einer Separatorunterbaugruppe
gemäß der Erfindung
ist;
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5 eine
isometrische Darstellung der in 4 gezeigten
Unterbaugruppe ist;
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6 eine
isometrische Explosionsdarstellung ist, welche die Separatorunterbaugruppe
bereit zum Verbinden zeigt, um ein Brennstoffzellenmodul zu bilden;
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7 eine
Aufriss-Querschnittsdarstellung von Brennstoffzellenmodulen gemäß der Erfindung ist,
wobei diese zusammengestapelt sind, um einen Brennstoffzellenstapel
zu bilden;
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8 eine
Aufriss-Querschnittsdarstellung eines Brennstoffzellenmoduls gemäß der Erfindung ist,
wobei die Außenelemente
die Anode und der Anodenabstandhalter sind;
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9 eine
Aufriss-Querschnittsdarstellung eines Brennstoffzellenmoduls gemäß der Erfindung ist,
wobei die Außenelemente
der Anodenabstandhalter und der Separator sind; und
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10 eine
Aufriss-Querschnittsdarstellung eines Brennstoffzellenmoduls gemäß der Erfindung ist,
wobei die Außenelemente
der Separator und der Kathodenabstandhalter sind.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die 1 bis 3 sind
bei einer allgemeinen Beschreibung der Struktur einer Mehrfach-Brennstoffzellenstapelanordnung
nützlich.
Die 4 bis 10 sind illustrativ für verbesserte Brennstoffzellenanordnungen
gemäß der Erfindung.
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 2 umfasst
eine einzelne Brennstoffzelle 11 ein Mehrschichtbrennstoffzellenelement 09,
das einen Elektrolyten 14 (E) mit einer Anode 16 oder
einem positiven Element (P), die/das auf einer ersten Fläche davon
abgeschieden ist, und einer Kathode 18 oder einem negativen
Element (N), die/das auf einer zweiten Fläche davon abgeschieden ist,
umfasst. Daher ist das Element 09, das die eigentliche „Brennstoffzelle" ist, in der Technik
unter dem Akronym PEN bekannt. Ein Durchgang 24 für eine Strömung von Brennstoff 21 über die
freie Fläche 20 der
Anode 16 ist durch erste ausgeschnittene Abstandhalter 36 vorgesehen,
die durch eine Umfangsdichtung 37 an der Anode 16 abgedichtet
sind, und ein Durchgang 26 für eine Strömung von Luft 31 über die
freie Fläche
der Kathode 18 ist durch zweite ausgeschnittene Abstandhalter 38,
die durch eine weitere Außendichtung 37 an
der Kathode 18 abgedichtet sind, vorgesehen. Brennstoff 21,
typischerweise in Form von Wasserstoff oder reformiertem Gas, wird
an einer ersten Kante 25 der Anodenfläche 20 über Versorgungskanäle 23 bereitgestellt,
die in jedem Element ausgebildet sind, und wird über Abgaskanäle 27 entfernt,
die an einer zweiten und entgegengesetzten Kante 29 der
Anodenfläche 20 vorgesehen
sind. Sauerstoff, typischerweise in Form von Luft, wird über Versorgungskanäle 33 an
die Durchgänge 26 an einer
ersten Kante 39 der Kathode 18 geliefert und wird über Abgaskanäle 41 an
einem zweiten und gegenüberliegenden
Kante 43 der Kathode 18 entfernt.
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Unter
Bezugnahme auf 3 kann eine Vielzahl von Brennstoffzellen 11 zusammengestapelt werden,
um einen Stapel 12 zu bilden, wobei fünf solche Zellen in 2 gezeigt
sind. Bei einer vollständigen,
funktionsfähigen
Brennstoffzelle 13 ist der Stapel 12 zwischen
einem anodischen Stromkollektor 34 und einem kathodischen
Stromkollektor 32 angeordnet, die wiederum zwischen einer
oberen Platte 15 und einer Gasverteilerbasis 17 angeordnet
sind, wobei die gesamte Anordnung durch Schrauben 19 zusammengehalten
ist, die sich durch Bohrungen in der oberen Platte 15 hindurch
erstrecken und schraubbar in Bohrungen in der Basis 17 aufgenommen
sind. Luft wird an die Basis 17 zur Versorgung der Kanäle 33 über einen
ersten Anschluss 44 geliefert. In dem Stapel definieren
die Kathodenluft- und Anodenbrennstoffkanäle Verteiler, oder „Kamine", wie oben beschrieben.
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Unter
Bezugnahme auf die 4 bis 10 umfasst
eine verbesserte Struktur für
eine modulare Brennstoffzelle 50 (6) vier
Blechteile, die aus Lagenmaterial gestanzt sind und keine Formvorgänge wie
Falzen oder Kümpeln
erfordern. Jedes Teil kann eine unterschiedliche Dicke aufweisen,
um seiner Funktion gerecht zu werden. Da die Teile flach, übereinander
gestapelt und metallurgisch verbindbar sind, ist die zellenaktive
Fläche
maximiert, da kein Raum in radialen Ecken verschwendet wird.
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Die
erste Lage ist der Zellenhalterrahmen 52. Er muss nur ausreichend
dick sein, um eine ausreichende Struktur bereitzustellen, die es
ermöglicht, das
Brennstoffzellenelement (PEN) 09 (vgl. 1) daran
zu befestigen. Der Rahmen 52 weist eine Zentralöffnung 54 auf,
die kleiner als die Außenabmessungen
des PEN ist, sodass die Fläche
des Elektrolyten 14 außerhalb
der Kathodenschicht 18 an den Halterrahmen 52 geklebt
und an diesem abgedichtet werden kann. Die Kathodenschicht 18 berührt den Rahmen 52 nicht,
der durch einen Abstand 53 (7) getrennt
ist, und ist daher von dem Rahmen 52 elektrisch isoliert.
Die Öffnung 54 in
dem Rahmen 52 lässt
zu, dass die Fläche
der Kathode 18 gegenüber
der Kathodenluftströmung
in der Brennstoffzellenanordnung exponiert ist. Falls gewünscht, könnte die
Anodenseite des PEN als eine alternative Konfiguration an dem PEN-Rahmen 52 befestigt
sein. Der Rahmen 52 weist auch Öffnungen 33', 41' für einen Durchgang
von Kathodenluft und Öffnungen 23', 27' für einen
Durchgang von Brennstoff auf, um alle Zellen in einem Stapel zu
versorgen. Keine dieser Öffnungen
ist in der Ebene des Rahmens 52 offen und daher kann Gas
nicht aus den Verteilerkaminen in diesem Teil ausströmen. Das
PEN erstreckt sich nicht bis zu den äußeren Kanten des Rahmens 52,
noch bis zu den Luft- oder Brennstofföffnungen. Somit benötigt das
PEN keine darin ausgebildeten Öffnungen, die
schwierig herzustellen sind und die die Wahrscheinlichkeit eines
PEN-Bruchs erhöhen.
Darüber hinaus
benötigen
die Kanten des PEN keine Abdichtung, wie es andernfalls auf Grund
des porösen
Anodenmaterials der Fall wäre.
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Die
zweite Lage ist ein Kathodenabstandhalter 38', analog dem Abstandhalter 38 in 1.
Die Dicke des Abstandhalters 38' bestimmt die Höhe des Kathodenluftströmungsfeldes 58 (7).
Die Anodengasöffnungen 23', 27' sind in der
Ebene des Abstandhalters 38' nicht
offen, sodass das Anodengas in den Verteilerkaminen eingeschlossen
ist. Die Kathodenöffnungen 33', 41' sind jedoch
in der Ebene des Abstandhalters offen, um zuzulassen, dass Kathodenluft über die
Fläche
der Kathode von der Versorgungsöffnung 33' zur Rückführöffnung 41' strömt. Der
Abstandhalter 38' ist
auf der Kathodenseite des Zellenhalterungsrahmens 52 angeordnet.
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Die
dritte Lage ist ein Anodenabstandhalter 36', analog dem Abstandhalter 36 in 1.
Die Dicke des Abstandhalters 36' bestimmt die Höhe des Anodenströmungsfeldes 62 (7).
Die Kathodengasöffnungen 33', 41' sind in der
Ebene des Abstandhalters 36' nicht
offen, sodass das Kathodengas in den Verteilerkaminen eingeschlossen
ist. Die Anodenöffnungen 23', 27' sind jedoch
in der Ebene des Abstandhalters offen, um zuzulassen, dass das Anodengas über die
Fläche
der Anode von der Versorgungsöffnung 23' zur Rückführöffnung 27' strömt. Der
Abstandhalter 36' ist
auf der Anodenseite des Zellenhalterungsrahmens 52 eines
benachbarten Brennstoffzellenmoduls angeordnet.
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Die
vierte Lage ist eine Separatorplatte 64, die nur ausreichend
dick sein muss, um eine ausreichende Struktur zur Trennung der Anodengasströmung in
einer Zelle von der Kathodenluftströmung in einer benachbarten
Zelle in einem Brennstoffzellenstapel bereitzustellen. Die einzigen Öffnungen
in der Separatorplatte 64 sind Anodenverteileröffnungen 23', 27' und Kathodenverteileröffnungen 33', 41', die einen
Teil der Versorgungs- und Rückführkamine
bilden. Keine dieser Öffnungen
ist in der Ebene der Platte offen und daher kann kein Gas aus der
Separatorplatte 64 ausströmen.
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Die
vier Platten 36', 38', 52, 64 können durch jede
Kombination von Schweißen
oder Löten,
bei der die vier Platten schmelzbar verbunden werden, verbunden
werden. Sie können
auch in jeder Reihenfolge oder Kombination, die für den Montageprozess geeignet
ist, montiert (verbunden) werden. Beispielsweise werden bei einer
bevorzugten Montagefolge der Kathodenabstandhalter 38' und der Anodenabstandhalter 36' an entgegengesetzten
Seiten der Separatorplatte 64 befestigt, wie in 4 gezeigt,
um eine in 5 gezeigte Separator-Unterbaugruppe 65 bereitzustellen.
Die Unterbaugruppe 65 wird dann an der Kathodenseite des
PEN-Rahmens 52 angebracht, wie in 6 gezeigt,
um ein Brennstoffzellenmodul 50a (8) zu bilden.
Selbstverständlich
können
die Abstandhalter, der PEN-Rahmen
und der Separator in jeder gewünschten
Reihenfolge angeordnet werden, solange in einem aus einer Vielzahl
solcher Module gebildeten Stapel der Separator zwischen einem Anodenabstandhalter
und einem Kathodenabstandhalter angeordnet ist und der Anodenabstandhalter
zwischen der Anode und dem Separator angeordnet ist. Somit können alternative
Module, die nicht notwendigerweise die Komponentenreihenfolge der
Unterbaugruppe 65 verwenden und dennoch innerhalb des Umfanges
der Erfindung liegen, wie 50b (9) ausgebildet
sein, wobei der Anodenabstandhalter an der Anodenseite des Rahmens
angebracht ist und der Kathodenabstandhalter und der Separator an
der Kathodenseite des Rahmens angebracht sind; und wie 50c (10)
ausgebildet sein, wobei der Kathodenabstandhalter an der Kathodenseite
des Rahmens befestigt ist und der Anodenabstandhalter und der Separator
an der Anodenseite des Rahmens angebracht sind.
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Jede
gewünschte
Anzahl von Modulen 50a, 50b oder 50c kann
zusammengestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel 12 zu
bilden. Beispielsweise wird in 7 ein Stapel 12 durch
Montage einer Vielzahl einzelner Zellen 50a gebildet. Es
ist zu beachten, dass jedes Modul von seinen benachbarten Modulen
elektrisch isoliert sein muss. Daher sind in einer gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsform isolierende
Dichtungen 66 aus Glas zwischen Modulen angeordnet, vorzugsweise
an einem oder anderen der Abstandhalter 36' und 38'. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der bezeichnete abdichtende Abstandhalter vor der Montage des
Stapels mit einer geeigneten Glasschicht oder einem Keramikhaftstoff
beschichtet. Der Stapel wird dann hohem/r Druck und Temperatur ausgesetzt,
wodurch die Glasdichtungen verflüssigt
und geschmolzen werden. Die Separatoren 64 werden auf bekannte
Weise (nicht gezeigt) elektrisch zusammengeschaltet, um die Module
in elektrischer Reihe zu verbinden.
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Die
Lagendicken der vier Platten können nach
Bedarf problemlos geändert
werden, um die Struktureigenschaften oder Feldströmungshöhen anzu passen.
Da diese Teile durch einen Stanzprozess geformt werden, kann das
Werkzeug einfach und kostengünstig
sein. Alternativ können
die Platten durch andere Prozesse wie z. B. Wasserstrahlschneiden
gebildet werden. Alle diese Faktoren machen Brennstoffzellen gemäß der Erfindung
gut geeignet zur Herstellung in Großserien wie auch zur Herstellung
in Kleinserien oder zur Prototypenherstellung.
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Eine
Brennstoffzellenanordnung gemäß der Erfindung
ist besonders als Hilfsenergiegruppe (APU = Auxiliary Power Unit)
für Fahrzeuge 132 geeignet, an
denen die APU wie in 3 gezeigt befestigt werden kann,
wie z. B. Autos und Lastwägen,
Boote und Schiffe und Flugzeuge, wobei die Antriebskraft durch einen
herkömmlichen
Motor geliefert wird und der Bedarf an elektrischer Hilfsenergie
durch die SOFC-Anordnung gedeckt wird.
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Eine
Brennstoffzellenanordnung gemäß der Erfindung
ist auch als stationäres
Kraftwerk nützlich, z.
B. in einem Haushalt oder für
eine kommerzielle Verwendung.
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Während die
Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene spezifische Ausführungsformen beschrieben
wurde, sollte einzusehen sein, dass innerhalb des Umfanges der beschriebenen
erfinderischen Konzepte zahlreiche Änderungen vorgenommen werden
können.
Demgemäß soll die
Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein,
sondern den gesamten durch den Wortlaut der nachfolgenden Ansprüche definierten Umfang
besitzen.