DE69015939T2

DE69015939T2 - Brennstoffzellengenerator.

Info

Publication number: DE69015939T2
Application number: DE69015939T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ishihara; Keiji Matsuhiro
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1989-09-18
Filing date: 1990-09-17
Publication date: 1995-07-06
Anticipated expiration: 2010-09-18
Also published as: EP0419163B1; US5175063A; EP0419163A3; DE69015939D1; EP0419163A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellengenerator unter Verwendung eines Trockenelektrolyts mit Ionenleitfähigkeit.
In letzter Zeit schenkt man den Brennstoffzellen als elektrischem Generator immer mehr Aufmerksamkeit. Dieser Brennstoffzellengenerator kann chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln - somit gibt es keine Beschränkungen des Carnotschen Kreisprozesses. Daher kann man eine hohe Energieumwandlungseffizienz erzielen und eine Vielzahl verschiedener Brennstoffe, wie Naphtha, Erdgas, Methanol, veredeltes Kohlegas, Schweröl, usw. verwenden. Die Umweltbelastung ist gering, und die Leistungserzeugungseffizienz hängt nicht von der Größe der Vorrichtungen ab.
Da eine Brennstoffzelle, die einen Trockenelektrolyten verwendet, z.B. die Trockenoxid-Brennstoffzelle (nachstehend als SOFC abgekürzt und in US-A- 4490444 geoffenbart) bei hohen Temperaturen wie 1000ºC betrieben werden kann, ist die Elektrodenreaktion äußerst aktiv, und es ist nicht erforderlich, ein teures Edelmetall wie Platin zu verwenden. Da die Polarisierung gering und die erzeugte Ausgangsspannung relativ hoch ist, kann in der SOFC die Energieumwandlungseffizienz im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen sehr hoch sein. Da alle Elemente der SOFC Festkörper sind, kann man eine lange Haltbarkeit der SOFC in zuverlässiger Weise erreichen.
Ein SOFC-Element umfaßt im allgemeinen Luftelektroden, Trockenelektrolytelemente und Brennstoffelektroden. Ein plattenartiges SOFC-Element weist einen großen Anteil an wirksamer Fläche pro Volumseinheit als Zelle auf und ist daher für die SOFC geeignet. Es ist ein Brennstoffzellengenerator bekannt, umfassend eine Vielzahl an parallel angeordneten plattenartigen SOFC-Elementen und Leistungserzeugungsräume, die starr und in dichtender Weise zwischen den SOFC-Elementen ausgebildet sind, worin Sauerstoffgas und B renngas von einer Endseite jeweiliger Leistungserzeugungsräume zugeleitet und verbrannte Abgase von der anderen Endseite der Leistungserzeugungsräume hinausgeleitet werden.
Da im oben angeführten Brennstoffzellengenerator, worin jeweilige SOFC-Elemente der Einheit miteinander starr abgedichtet sind, die jeweiligen SOFC-Elemente der Einheit einschränkend miteinander verbunden sind, um einen luftdichten Leistungserzeugungsraum zu bilden, entstehen Spannungen an Kantenabschnitten der SOFC-Elemente der Einheit; Wärmespannungen aufgrund der hohen Temperaturen während des Betriebs werden durch diese Einschränkung erhöht. Außerdem findet in der Nähe eines Brennstoffgasversorgungseinlasses eine aktive Elektrodenreaktion statt, die jedoch in der Nähe eines Brennstoffgasausströmungsauslasses inaktiv ist, weshalb die Temperatur niedrig ist. Dadurch entstehen ein großes Temperaturgefälle im Leistungserzeugungsraum sowie große Wärmespannungen. Diese Spannungen erzeugen Risse im brüchigen SOFC-Element; in der Folge sinkt die Leistungserzeugungsefflzienz, und ein Zellkollektor büßt seine Funktionstüchtigkeit ein.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, einen Brennstoffzellengenerator vorzusehen, der die in einem SOFC-Element einer Einheit auftretenden Spannungen und das Temperaturgefälle innerhalb eines Leistungserzeugungsraums verringern kann, wodurch eine einheitliche Leistungserzeugungseffizienz entsteht.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Aspekt ist ein Brennstoffzellengenerator nach Anspruch 1 vorgesehen.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt ist ein Brennstoffzellengenerator nach Anspruch 2 vorgesehen.
In der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck "über im wesentlichen die gesamte Elektrodenoberfläche kontaktiert" nicht nur, daß die gesamte Elektrodenoberfläche kontaktiert wird, sondern auch, daß ein Teil der Elektrodenoberfläche nicht kontaktiert wird und daß die im wesentlichen gesamte Elektrodenoberfläche mit Ausnahme des obigen nicht kontaktierten Teils kontaktiert wird. Der unkontaktierte Teil beträgt vorzugsweise weniger als 50%, noch bevorzugter weniger als 25% der wirksamen Elektrodenoberfläche.
Fig.1 ist eine teilweise im Querschnitt dargestellte perspektivische Ansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen SOFC-Leistungsgenerators;
Fig.2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie II-II in Fig.1;
Fig.3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III in Fig.1;
Fig.4 ist eine Draufsicht des anderen Teils eines erfindungsgemäßen SOFC- Leistungsgenerators;
Fig.5 ist eine teilweise im Querschnitt dargestellte perspektivische Ansicht eines Teils des anderen erfindungsgemäßen SOFC-Leistungsgenerators;
Fig.6 ist eine Draufsicht der gesamten Anordnung des anderen SOFC- Leistungsgenerators;
Fig.7 ist eine teilweise im Querschnitt dargestellte perspektivische Ansicht eines Teils der anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen SOFC-Leistungsgenerators;
Fig.8 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig.7;
Fig.9 ist eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in Fig.7; und
Fig.10 ist eine teilweise im Querschnitt dargestellte perspektivische Ansicht eines Teils des anderen erfindungsgemäßen SOFC-Leistungsgenerators.
Fig.1 ist eine teilweise im Querschnitt dargestellte perspektivische Ansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen SOFC-Leistungsgenerators, Fig.2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig.1, Fig.3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in Fig.1, und Fig.4 ist eine Draufsicht des anderen Teils eines SOFC-Generators. In Fig.1 und Fig.4 fehlt eine poröse Trennwand 4. Die vorliegende Erfindung wird anhand der Zeichnungen erklärt.
Ein plattenartiges SOFC-Element 1 umfaßt eine plattenartige Trockenelektrolyt- Trennwand 9, eine Luftelektrodenschicht 10, die auf einer Oberfläche des plattenartigen SOFC-Elements 1 angeordnet ist, und eine auf der anderen Oberfläche des plattenartigen SOFC-Elements ausgebildete B rennstoffelektrodenschicht 8. Die Luftelektrodenschicht 10 wird aus dotiertem oder undotiertem LaMnO&sub3;, CaMnO&sub3;, LaNiO&sub3;, LaCoO&sub3;, LaCrO&sub3; usw. gebildet. Es ist jedoch vorzuziehen, LaMnO&sub3; zu verwenden, worin Strontium dotiert ist. Die plattenartige Trockenelektrolyt-Trennwand 9 wird im allgemeinen aus Yttrium-stabilisierter Zirkonerde, usw. gefertigt. Die Brennstoffelektrodenschicht 8 besteht im allgemeinen aus Nickel-Zirkonerde-Cermet oder Kobalt-Zirkonerde-Cermet.
Eine Vielzahl plattenartiger SOFC-Elemente ist parallel zueinander solcherart angeordnet, daß die Luftelektroden 10 der angrenzenden plattenartigen SOFC-Elemente einander in einem bestimmten Abstand gegenüberliegen und die Brennstoffelektroden 8 der angrenzenden plattenartigen SOFC-Elemente einander ebenfalls in einem bestimmten Abstand gegenüberliegen, um eine SOFC-Elementenanordnung 11 zu bilden. Kantenabschnitte jeweiliger SOFC-Elemente 1 werden durch eine poröse Trennwand 4 weich getragen, um Positionen dazwischen zu definieren. Ein erster Leistungserzeugungsraum 6A ist zwischen gegenüberliegenden Luftelektroden 10 ausgebildet, und ein zweiter Leistungserzeugungsraum 6B ist zwischen gegenüberliegenden Brennstoffelektroden 8 ausgebildet. Außerdem sind der erste und der zweite Leistungserzeugungsraum 6A, 6B wechselseitig miteinander angeordnet. Eine Außenfläche jeweiliger SOFC-Elementanordnungen 11 ist mit der porösen Trennwand 4 bedeckt, und eine Vielzahl an SOFC-Elementen 11 ist matrixartig angeordnet. Weiters ist ein Bildungsraum 7 für verbranntes Material in einem Raum zwischen angrenzenden SOFC-Elementenanordnungen 11 ausgebildet.
In der vorliegenden Ausführungsform befinden sich zwei leitende Oxidationsgasversorgungsrohre 2 im ersten Leistungserzeugungsraum 6A; sie sind durch eine Vielzahl der ersten Leistungserzeugungsräume 6A und der Bildungsräume 7 für verbranntes Material hindurch angeordnet.
In der vorliegenden Ausführungsform befinden sich weiters zwei leitende Brenngasversorgungsrohre 3 im zweiten Leistungserzeugungsraum 6B; sie sind durch eine Vielzahl der zweiten Leistungserzeugungsräume 6B und der Bildungsräume 7 für verbranntes Material hindurch angeordnet.
Das leitende Oxidationsgasversorgungsrohr 2 und das leitende Brenngasversorgungsrohr 3 werden jeweils durch die poröse Trennwand 4 getragen.
Eine Vielzahl von Enden nadelartiger Stromsammelbürsten 5 ist an den Außenflächen des leitenden Oxidationsgasversorgungsrohrs 2 und des leitenden Brennstoffgasversorgungsrohrs 3 befestigt, und die anderen Enden der nadelartigen Stromsammelbürsten 5 werden unter Druck mit Elektrodenoberflächen der Luftelektroden 10 oder der Brennstoffelektroden 8 kontaktiert. Die nadelartige Stromsammelbürste 5 besteht vorzugsweise aus einem wärmebeständigen Material, das bei hohen Temperaturen wie 1000ºC elastisch ist. Auf diese Weise ist das brüchige SOFC-Element durch die nadelartige Stromsammelbürste 5 getragen und die poröse Trennwand 4 um das Element angeordnet. Ein Oxidationsgasversorgungseinlaß 2a des Oxidationsgasversorgungsrohrs 2 öffnet sich in den Mittelpunkt des ersten Leistungserzeugungsraums 6A, und ein B renngasversorgungseinlaß 3a des Brenngasversorgungsrohrs 3 öffnet sich in einen Mittelpunkt des zweiten Leistungserzeugungsraums 6B.
Ein sauerstoffhältiges Gas wie Luft wird, wie dies durch den Pfeil A angezeigt ist, in das Oxidationsgasversorgungsrohr 2 eingeleitet und strömt dann vom Oxidationsgasversorgungseinlaß 2a in den ersten Leistungserzeugungsraum 6A, sodaß die aus den Einlässen 2a ausgestoßenen Gase innerhalb des ersten Leistungserzeugungsraums 6A radial vorwärtsströmen, wie dies durch einen Pfeil A' angezeigt ist. ln der gleichen Weise wird das Oxidationsgas in alle ersten Leistungserzeugungsräume 6A der SOFC-Elementanordnungen 11 eingeleitet.
Ein Brenngas wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid wird in Pfeilrichtung B in das Brenngasversorgungsrohr 3 eingeleitet und strömt aus dem Brenngasversorgungseinlaß 3a in den zweiten Leistungserzeugungsraum 6B, sodaß die aus den Einlässen 3a ausgestoßenen Gase in Pfeilrichtung B' vorwärtsströmen. In der gleichen Weise wird das Brenngas in alle zweiten Leistungserzeugungsräume 6B der SOFC- Elementenanordnungen 11 geleitet.
Die poröse Trennwand 4 ist ausgebildet, einen Gasfluß durch einen geringen Differentialdruck zu erzeugen, der zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungserzeugungsraum 6A, 6B und dem Bildungsraum 7 für verbranntes Material entsteht, wodurch man einen Gasrückfluß des verbrannten Materials vom Bildungsraum 7 für verbranntes Material in die jeweiligen Leistungserzeugungsräume 6A und 6B verhindert.
Ein Oxidationsgas wird nach der Leistungserzeugung durch die poröse Trennwand 4 in den Bildungsraum 7 für verbranntes Material eingeleitet, wie dies durch Pfeil A" angezeigt ist. Zur gleichen Zeit wird ein Brenngas nach der Leistungserzeugung durch die poröse Trennwand 4 in den Bildungsraum 7 für verbranntes Material eingeleitet, wie dies durch Pfeil B" angezeigt ist. Nach der Leistungserzeugung wird das somit eingeleitete Brenngas mit dem Oxidationsgas nach der Leistungserzeugung in Kontakt gebracht und verfeuert, um die durch die Gasversorgungsrohre 2 und 3 strömenden Gase vorzuheizen.
Im ersten Leistungserzeugungsraum 6A erzeugt das Oxidationsgas ein Sauerstoffion an einer Grenze zwischen der Luftelektrode 10 und einem Trockenelektrolytelement 9. Das so erzeugte Sauerstoffion wird durch das Trockenelektrolytelement 9 in die Brennstoffelektrode 8 bewegt. Danach wird im zweiten Leistungserzeugungsraum 6B das so bewegte Sauerstoffion mit dem Brennstoff umgesetzt, wodurch sich Elektronen bilden und in die Brennstoffelektrode 8 gelangen. Weiters werden die so ausgestoßenen Elektronen durch das leitende Oxidationsgasversorgungsrohr 2 und das leitende Brenngasversorgungsrohr 3 mit Hilfe der nadelartigen Stromsammelbürste 5 gesammelt.
In der Folge entsteht elektrische Leistung durch eine Last, die zwischen dem leitenden Oxidationsgasversorgungsrohr 2 als positivem Anschluß und dem leitenden Brenngasversorgungsrohr 3 als negativem Anschluß verbunden ist.
Der Brennstoffzellengenerator gemäß der obigen Ausführungsform hat die folgenden Auswirkungen.
(1) Zur Steigerung der Leistungserzeugungseffizienz des plattenartigen SOFC-Elements ist es erforderlich, den leistungserzeugenden Bereich durch das Vergrößern seiner Dimensionen zu vergrößern. Wenn eine Dimension des plattenartigen SOFC-Elements vergrößert wird, steigen jedoch auch das Temperaturgefälle und das Gefälle der Stromdichte, wodurch die Leistungserzeugungseffizienz Einbußen erleidet. Außerdem entstehen größerer Wärmespannungen und daher auch Risse.
Da die im Brenngas enthaltene Brennstoffmenge groß ist, werden in der Nähe des Brenngasversorgungseinlasses die elektrochemischen Reaktionen aktiv, und auch die Temperatur steigt, wodurch die Reaktionen weiter gefördert werden. Am anderen Ende des plattenartigen SOFC-Elements sinkt jedoch die im Brenngas enthaltene Brennstoffmenge. Daher sind die elektrochemischen Reaktionen nicht aktiv und die Temperaturen niedriger, wodurch die Reaktionen noch inaktiver werden. Nach der Oxidationsreaktion, worin eine darin enthaltene Brennstoffmenge abnimmt, umfaßt das Brenngas einen hohen Anteil einer CO&sub2;-Komponente, einer Dampfkomponente, usw., wobei diese Komponenten durch das An haften an den Elektrodenoberflächen die elektrochemische Reaktion verhindern. Daher nimmt die Temperatur weiter ab. Diese Neigung wird immer ausgeprägter, je größer die Dimensionen des plattenartigen SOFC- Elements sind.
Gemäß der Erfindung ist der Oxidationsgasversorgungseinlaß 2a des Oxidationsgasversorgungsrohrs 2, das durch den ersten Leistungserzeugungsraum 6A hindurchgeht, jedoch im wesentlichen im Mittelpunkt des ersten Leistungserzeugungsraums 6A angeordnet; der Brenngasversorgungseinlaß 3a des Brenngasversorgungsrohrs 3, das durch den zweiten Leistungserzeugungsraum 6B hindurchgeht, ist im wesentlichen im Mittelpunkt des zweiten Leistungserzeugungsraums 6B angeordnet. Da die Gase, die von den Einlässen 2a und 3a ausströmen, die im Mittelpunkt jeweiliger Leistungserzeugungsräume 6A und 6B angeordnet sind, im ersten und zweiten Leistungserzeugungsraum radial vorwärtsströmen (siehe insbesondere Fig.4), ist die Entfernung, welche die Gase von jedem Gaseinleitungseinlaß zum Bildungsraum 7 für verbranntes Material zurücklegen, im Vergleich zum Stand der Technik sehr klein, worin Gas den Leistungserzeugungsraum durchquert. Auf diese Weise können die Wärmespannungen verringert werden, und die Leistungserzeugungseffizienz wird gleichförmig und verbessert sich, da ein Wärmeleitungswiderstand zwischen einem Abschnitt mit hoher Temperatur und einem Abschnitt mit niedriger Temperatur abnimmt und ein Temperaturgefälle von einem Abschnitt in der Nähe der Gasversorgungseinlässe 2a und 3a zum Bildungsraum 7 für verbranntes Material vermindert werden kann.
(2) Da das nadelartige Stromsammelelement 5 unter Druck über eine im wesentlichen gesamte Elektrodenoberfläche der Luftelektrode 10 und der Brennstoffelektrode 8 kontaktiert wird, wird Strom in senkrechter Richtung im Verhältnis zu den Elektrodenschichtoberflächen gesammelt, wodurch man die Entfernung verkürzen kann, die Strom in der Elektrodenschicht mit großem relativen Leitungswiderstand zurücklegt. Daher ist es möglich, die Leistungsverluste niedrig zu halten und die Leistungserzeugungseffizienz deutlich zu verbessern.
(3) Da alle Oberflächen des brüchigen SOFC-Elements in weicher und einheitlicher Weise unter kleinem Druck durch die flexiblen nadelartigen Stromsammelelemente getragen werden, wirken keine übermäßigen Spannungen auf das SOFC-Element, wodurch sich die Zuverlässigkeit des B rennstoffzel lengenerators erhöht.
(4) Da sowohl das Oxidationsgas als auch das Brenngas aus einem im wesentlichen mittigen Abschnitt der Leistungserzeugungsräume ausgestoßen werden und Abgase aus u mfangsabschn itten der Leistungserzeugungsräume ausgestoßen werden, sind Räume zwischen den SOFC-Elementen nicht zur Abdichtung befestigt. Daher entstehen aufgrund der Befestigungsverfahren keine Spannungen im SOFC-Element, wodurch sich die Zuverlässigkeit des Brennstoffzel lengenerators verbessert.
(5) Ni-Filz wird allgemein für das Stromsammelelement verwendet, doch während der Verwendung bei hohen Temperaturen verschlechtert sich seine Qualität, wodurch ein Kontaktverlust in bezug auf die Elektroden entsteht. Daher sinkt die Leistungserzeugungseffizienz.
Da andererseits die nadelartigen Stromsammelelemente 5 elastisch sind und unter Druck mit den im wesentlichen gesamten Oberflächen der Luftelektrode 10 und der Brennstoffelektrode 8 in Kontakt gebracht werden, können gemäß der vorliegenden Erfindung die kontaktierten Bereiche vergrößert und eine Last pro Stromsammelelement verringert werden, wodurch man die Spannungen aufgrund des Stützvorgangs senkt. Dadurch können Biegen und ein Kontaktverlust verhindert werden, wodurch man eine Abnahme der Leistungserzeugungseffizienz ausschaltet.
(6) Da ein langes Oxidationsgasversorgungsrohr 2 und ein langes Brenngasversorgungsrohr 3 durch ei ne Vielzahl an Leistungserzeugungsräumen hindurchgehen, kann ein Oxidationsgas und ein Brenngas jeweils in eine Vielzahl erster Leistungserzeugungsräume 6A und zweiter Leistungserzeugungsräume 6B zur gleichen Zeit eingeleitet werden, wenn ein Oxidationsgas in ein Oxidationsrohr 2 und ein Brenngas in ein Brenngasversorgungsrohr 3 eingeleitet wird. Daher ist es nicht erforderlich, ein Oxidationsgasversorgungsrohr und ein B renngasversorgungsrohr in jedem Leistungserzeugungsraum anzuordnen.
In der obigen Ausführungsform sind die nachstehenden Modifizierungen möglich.
(a) In der obigen Ausführungsform werden Ströme direkt von den leitenden Gasversorgungsrohren 2 und 3 gesammelt, die vorzugsweise aus einem wärmebeständigen Material o.dgl. bestehen, doch es ist auch möglich, ein Gasversorgungsrohr mit einer Zweischicht-Konstruktion zu verwenden, worin ein Basisabschnitt des Gasversorgungsrohrs aus n ichtleitenden wärmebeständigen Materialien wie Keramik usw. und eine leitende Schicht aus leitenden Materialien wie einem wärmebeständigen Metall o.dgl. besteht, die auf der Oberfläche des Basisabschnitts angeordnet sind. ln diesem Fall werden die leitende Schicht und die Oberfläche der Luftelektrode oder der Brennstoffelektrode elektrisch mit Hilfe der nadelartigen Stromsammelelemente 5 kontaktiert.
In der obigen Ausführungsform sind zwei leitende oder nichtleitende Oxidationsgasversorgungsrohre im ersten Leistungserzeugungsraum 6A angeordnet; außerdem befinden sich zwei leitende oder nicht leitende Brenngasversorgungsrohre im zweiten Leistungserzeugungsraum 6B, doch die Anzahl der Gasversorgungsrohre ist nicht auf zwei beschränkt - man kann auch ein Rohr oder mehr als drei Rohre verwenden. Außerdem können im Oxidationsgasversorgungsrohr und im Brenngasversorgungsrohr, die jeweils durch den ersten bzw. den zweiten Leistungserzeugungsraum 6A, 6B verlaufen, die Anzahl, Dimension, Form und Position des Oxidationsgasversorgungsein lasses und des Brenngasversorgungseinlasses beliebig variieren. Eine Gasflußrichtung ist nicht auf eine parallele Richtung beschränkt, sondern die Oxidationsgasflußrichtung kann im Verhältnis zur Brenngasflußrichtung senkrecht verlaufen, wie dies in Fig.5 dargestellt ist.
Man beachte, daß die Anzahl an SOFC-Elementen, die jeweilige SOFC- Elementanordnungen 11 bilden und auch die Anzahl an SOFC-Elementanordnungen in unterschiedlicher Weise variieren kann.
(b) Anstelle der Verwendung des nadelartigen Stromsammelelementes 5 kann, wie aus Figuren 1 bis 5 ersichtlich, eine wärmebeständige Metallelektrode mit einer kammförmigen Ausgestaltung, ein Stromsammelelement aus Metallwolle o.dgl. verwendet werden; weiters kann man auch ein anderes Stromsammelelement mit geringer Steifigkeit und Elastizität verwenden. Darüber hinaus ist es möglich, verschiedene Stromsammelelemente für die Luftelektrode und die Brennstoffelektrode zu verwenden. Anstelle des nadelartigen Stromsammelelements 5 wird auch ein Stromsammelelement aus Ni-Filz oder anderen Filzen verwendet. Es werden im wesentlichen die gesamten Oberflächen mit dem Stromsammelelement in einer Vielfachpunktkontakt-Weise kontaktiert.
Bezüglich des Vielfachpunktstromsammelelements werden in der vorliegenden Ausführungsform wärmebeständige Metalle verwendet, doch es eignen sich auch andere leitende Materialien wie leitende oder metallbeschichtete Keramikmaterialien.
(c) In der obigen Ausführungsform sind alle Umfangsabschnitte des Leistungserzeugungsraums von den porösen Trennwänden 4 umgeben, wobei dies jedoch nicht notwendig ist. Die porösen Trennwände 4 können nämlich auch nur an den gegenüberliegenden zwei Umfangsabschnitten angeordnet sein. Anstelle der Verwendung der porösen Trennwände 4 können die leitenden Gasversorgungsrohre 2 und 3 befestigt sein und jeweilige SOFC-Elemente 1 direkt durch das nadelartige Stromsammelelement 5 getragen werden.
Wie aus Fig.6 ersichtlich, sind die jeweiligen SOFC-Elementanordnungen 11 matrixartig positioniert, jeweilige SOFC-Elemente können über die leitenden Gasversorgungsleitungen 2 und 3 und das nadelartige Stromsammelelement 5 getragen werden, und ein gesamter Brennstoffzellengenerator befindet sich in einem luftdichten Gefäß 20.
Zusätzlich zur porösen Trennwand 4 kann ein Stütz- oder Schwebeeinbau installiert werden, der das Element weich kontaktiert.
(d) In Fig.1 sind jeweilige SOFC-Elemente 1 horizontal getragen, doch es ist auch möglich, den gesamten Brennstoffzellengenerator vertikal oder in einem vorbestimmten Winkel geneigt zu tragen.
(e) In der obigen Ausführungsform fungiert die plattenartige Trockenelektrolyt- Trennwand als steifes Element, und daher kann sich der Brennstoffzellengenerator selbst tragen; es ist jedoch möglich, weiters eine poröse und leitende Stützplatte zu verwenden, auf der das SOFC-Element ausgebildet ist.
Die poröse und leitende Stützplatte kann z.B. aus Sr-dotiertem LaMnO&sub3; bestehen. Weiters ist die Form des plattenartigen SOFC-Elements nicht auf eine quadratische und rechteckige Form beschränkt - es eignen sich auch dreieckige, sechseckige und runde Formen u.dgl.
Da gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt ein Oxidationsgas durch einen Oxidationsgasversorgungseinlaß eingeleitet wird, der sich im wesentlichen im Mittelpunkt des ersten Leistungserzeugungsraums befindet und ein Brenngas durch einen Brenngasversorgungseinlaß eingeleitet wird, der sich im wesentlichen im Mittelpunkt des zweiten Leistungserzeugungsraums befindet, strömen das Oxidationsgas und das Brenngas, die aus dem Oxidationsgasversorgungseinlaß bzw. dem Brenngasversorgungsein laß ausströmen, in die jeweiligen Leistungserzeugungsräume radial weiter. Im Vergleich zur herkömmlichen Ausführungsform, worin diese Gase den Leistungserzeugungsraum durchqueren, kann die Entfernung stark verkürzt werden, die ein Gas von jeweiligen Gasversorgungseinlässen zu Räumen zur Erzeugung von verbranntem Material zurücklegt. Da das Temperaturgefälle im SOFC-Element verringert werden kann, können die auf das SOFC-Element wirkenden Wärmespannungen verringert und dadurch die Rißbildung vermieden werden. Außerdem kann die Erzeugungseffizienz vereinheitlicht und verbessert werden.
Da ein Vielfachpunktstromsammelelement über die im wesentlichen gesamte Elektrodenoberfläche der Luftelektrode und der Brennstoffelektrode kontaktiert wird, wird Strom hinsichtlich der jeweiligen Elektrodenschichten in senkrechter Richtung gesammelt, womit man den Spannungsverlust aufgrund der inneren Widerstände der Elektrodenschichten verringern kann. Dadurch kann man die Leistungserzeugungseffizienz deutlich verbessern. Da das SOFC-Element durch ein Vielfachstromsammelelement weich getragen wird, können Beschädigungen des SOFC- Elements aufgrund von mechanischen Spannungen beträchtlich verringert werden.
Fig.7 ist eine teilweise im Querschnitt dargestellte perspektivische Ansicht eines Teils der anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen SOFC-Leistungsgenerators, Fig.8 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig.7, und Fig.9 ist eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in Fig.7. In Figuren 7 und 9 fehlt eine poröse Trennwand 4.
Ein plattenartiges SOFC-Element 1 umfaßt eine plattenartige Trockenelektrolyt- Trennwand 9, eine auf der Oberfläche des plattenartigen SOFC-Elements 1 ausgebildete Elektrodenschicht 10 und eine auf der anderen Oberfläche des plattenartigen SOFC- Elements ausgebildete Brennstoffelektrodensch icht 8. Die Luftelektrodenschicht 10 besteht aus dotiertem oder nicht dotiertem LaMnO&sub3;, CaMnO&sub3;, LaNiO&sub3;, LaCoO&sub3;, LaCrO&sub3; usw. Es ist jedoch vorzuziehen, LaMnO&sub3; zu verwenden, dem Strontium hinzugefügt ist. Die plattenartige Trockenelektrovt-Trennwand 9 besteht im allgemeinen aus Yttrium-stabilisierter Zirkonerde u.dgl. Die Brennstoffelektrodenschicht 8 besteht im allgemeinen aus Nickel-Zirkonerde-Cermet oder Kobalt-Zirkonerde-Cermet.
Jeweilige plattenartige SOFC-Elemente sind solcherart angeordnet, daß jede Brennstoffelektrode 8 nach oben (oder unten) gerichtet ist, wie dies aus den Figuren ersichtlich ist. Eine Vielzahl an plattenartigen SOFC-Elementen ist parallel miteinander solcherart angeordnet, daß die Luftelektroden 10 in einem bestimmten Abstand gegenüber den Brennstoffelektroden 8 angeordnet sind, wodurch eine SOFC- Elementanordnung 11 gebildet wird. Umfangskantenabschnitte jeweiliger SOFC- Elemente 1 werden in weicher Weise durch poröse Trennwände 4 getragen, um Positionen dazwischen zu definieren. Äußere Umfangsabschnitte jeweiliger SOFC- Elementanordnungen 11 sind von den porösen Trennwänden 4 umgeben, und eine Vielzahl an SOFC-Elementanordnungen 11 ist matrixartig angeordnet, wodurch ein Bildungsraum 7 für verbranntes Material in einem Raum zwischen angrenzenden SOFC- Elementanordnungen 11 entsteht.
Die Brennstoffelektrode 8 jeweiliger SOFC-Elemente 1 ist von der Luftelektrode 10 des angrenzenden SOFC-Elements isoliert, und es ist ein Raum dazwischen ausgebildet. In diesem Zwischenraum ist eine luftdichte leitende Trennwand 12 parallel im Verhältnis zu den jeweiligen SOFC-Elementen angeordnet, indem sie mit Hilfe der porösen Trennwand 4 getragen wird. Die luftdichte leitende Trennwand 12 dient dazu, einen ersten zwischen der Luftelektrode 10 und der Trennwand 12 befindlichen Leistungserzeugungsraum 6A und einen zwischen der Brennstoffelektrode 8 und der Trennwand 12 befindlichen zweiten Leistungserzeugungsraum 6B zu bilden.
Außerdem sind zwei Gasversorgungsrohre 2 in der Trennwand 12 angeordnet, die sowohl dem ersten als auch dem zweiten Leistungserzeugungsraum 6A und 6B zugewandt sind, und sie verlaufen von einem zum anderen Ende des plattenartigen SOFC-Elements 1. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt die Anzahl der Gasversorgungsrohre in einem SOFC-Element zwei, doch die Zahl kann beliebig variiert werden. Die Gasversorgungsrohre 2 verlaufen jeweils durch eine Vielzahl an Leistungserzeugungsräumen 6A, 6B und an Bildungsräumen 7 für verbranntes Material und werden durch die porösen Trennwände 4 getragen.
Im Gasversorgungsrohr 2 ist eine Trennwand angeordnet, um einen Oxidationsgasversorgungsweg 2A und einen Brenngasversorgungsweg 2B zu bilden. An einem Abschnitt des Gasversorgungsrohrs 2 (entspricht im wesentlichen dem Mittel pun kt des SOFC-Elements) befinden sich ein Oxidationsgasversorgungseinlaß 2a, der nach oben zum ersten Leistungserzeugungsraum 6A gerichtet ist, und ein Brenngasversorgungseinlaß 2B, der nach unten zum zweiten Leistungserzeugungsraum 6B gerichtet ist, wie dies in den Figuren 8 und 9 dargestellt ist.
Ein sauerstoffhältiges Gas wie Luft o.dgl. wird zunächst in Pfeilrichtung A in den Oxidationsgasversorgungsweg 2A eingeleitet und wird dann, wie durch den Pfeil A' angezeigt, vom Oxidationsgasversorgungseinlaß 2a in radial vorwärtsströmender Weise in den ersten Leistungserzeugungsraum 6A eingeleitet. Gleichzeitig strömt das sauerstoffhältige Gas in alle anderen ersten Leistungserzeugungsräume 6A jeweiliger SOFC-Elementanordnungen 11 ein, die aus einer Vielzahl an SOFC-Elementen bestehen.
Ein Brenngas wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxid wird zunächst in Pfeilrichtung B in den Brenngasversorgungsweg 2B eingeleitet und wird dann, wie durch den Pfeil B' angezeigt, vom Brenngasversorgungseinlaß 2b in radial vorwärtsströmender Weise in den zweiten Leistungserzeugungsraum 6B eingeleitet. Gleichzeitig strömt das sauerstoffhältige Gas in gleicher Weise in alle anderen zweiten Leistungserzeugungsräume 6B jeweiliger SOFC-Elementanordnungen 11 ein, die aus einer Vielzahl an SOFC-Elementen bestehen.
Die poröse Trennwand 4 ist konstruiert, einen Gasfluß durch einen geringen Differentialdruck zu bewirken, der zwischen dem ersten oder dem zweiten Leistungserzeugungsraum 6A und 6B und dem Bildungsraum 7 für verbranntes Material erzeugt wird, wodurch ein Gasrückfluß des verbrannten Materials vom Bildungsraum 7 für verbranntes Material in jeweilige Leistungserzeugungsräume 6A und 6B verhindert wird. Ein Oxidationsgas wird nach der Leistungserzeugung in den Bildungsraum 7 für verbranntes Material durch die poröse Trennwand 4 hindurch eingeleitet, wie dies durch einen Pfeil A" angezeigt ist. Gleichzeitig wird Brenngas nach der Leistungserzeugung durch die poröse Trennwand 4 hindurch in den Bildungsraum 7 für verbranntes Material eingeleitet, wie dies durch einen Pfeil B' angezeigt ist. Dann wird das somit eingeleitete Brenngas nach der Leistungserzeugung mit dem Oxidationsgas nach der Leistungserzeugung in Kontakt gebracht und zum Vorerhitzen der durch die Gasversorgungswege 2A und 2B strömenden Gase verfeuert.
Eine Vielzahl der einen Enden nadelartiger Stromsammelbürsten 5 ist an beiden Oberflächen der leitenden luftdichten Trennwand 12 befestigt, und die anderen Enden der nadelartigen Stromsammelbürsten 5 werden unter Druck mit einer Elektrodenoberfläche der Luftelektrode 10 oder der Brennstoffelektrode 8 kontaktiert. Die nadelartige Stromsammelbürste 5 besteht vorzugsweise aus einem wärmebeständigen Material, das bei hohen Temperaturen wie 1000ºC elastisch ist.
Auf diese Weise wird das brüchige SOFC-Element durch die nadelartige Stromsammelbürste 5 und die um das Element angeordnete Trennwand 4 getragen.
Im ersten Stromerzeugungsraum 6A erzeugt das Oxidationsgas ein Sauerstoffion an der Grenze zwischen der Luftelektrode 10 und einem Trockenelektrolyt-Element 9. Das so erzeugte Sauerstoffion wird durch das Trockenelektrolyt-Element 9 in die Brennstoffelektrode 8 bewegt. Danach wird im zweiten Leistungserzeugungsraum 6B das so bewegte Sauerstoffion mit dem Brennstoff umgesetzt; Elektronen werden erzeugt und in die Brennstoffelektrode 8 bewegt.
In den SOFC-Anordnungen werden die angrenzenden Luftelektroden und Brennstoffelektroden mit Hilfe der nadelartigen Stromsammelbürsten 5 und der leitenden luftdichten Trennwand 12 in Serie verbunden, wodurch elektrische Leistung durch eine zwischen der Luftelektrode und der Brennstoffelektrode verbundene Last erzeugt wird.
Der Brennstoffzellengenerator gemäß der obigen Ausführungsform weist neben den bezüglich der anderen Ausführungsform angeführten Wirkungen (1)-(6) die folgenden Wirkungen auf.
(7) Da die Luftelektrode 10 und die leitende luftdichte Trennwand 12 mit Hilfe der nadelartigen Stromsammel bürste 5 elektrische verbunden sind, die Brennstoffelektrode 8 und die leitende luftdichte Trennwand 12 mit Hilfe der nadelartigen Stromsammelbürste 5 elektrisch verbunden sind und die Luftelektrode 10 mit der Brennstoffelektrode 8 elektrisch verbunden sind, ist es möglich, Strom zwischen angrenzenden plattenartigen SOFC-Elementen fließen zu lassen. Wenn, wie aus Fig.9 ersichtlich, eine Last 40 zwischen dem obersten plattenartigen SOFC-Element und dem untersten plattenartigen Element angeordnet ist, von denen beide eine plattenartige SOFC-Elementanordnung bilden, ist es möglich, einen Brennstoffzellengenerator zu erzielen, worin plattenartige SOFC-Elemente in Serie verbunden sind, wodurch man gleichzeitig leicht Leistung erhalten kann.
Wenn die Zahl der seriellen plattenartigen SOFC-Elemente variiert, ist es möglich, die erzeugte Spannung einfach zu variieren.
Neben den bezüglich der anderen Ausführungsform angeführten Modifizierungen (a)-(e) sind in der obigen Ausführungsform weitere nachstehende Modifizierungen möglich.
(f) In der obigen Ausführungsform ist es möglich, das Gasversorgungsrohr durch leitende Materialien wie ein wärmebeständiges Metall o.dgl. oder durch nichtleitende Materialien wie Keramikmaterialien usw. zu bilden. Weiters sind in der obigen Ausführungsform der Oxidationsgasversorgungsweg und der Brenngasversorgungsweg in einem Gasversorgungsrohr angeordnet, es ist jedoch auch möglich, ein durch den ersten Leistungserzeugungsraum verlaufendes Oxidationsgasversorgungsrohr und ein durch den zweiten Leistungserzeugungsraum verlaufendes Brenngasversorgungsrohr zu verwenden.
Außerdem ist die Gasflußrichtung nicht auf eine parallele Richtung beschränkt; die Oxidationsgasflußrichtung kann auch im Verhältnis zur B renngasrichtung senkrecht verlaufen (siehe Fig.10).
Da gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum ersten Aspekt der Erfindung ein Raum, der zwischen der Luftelektrode der jeweiligen SOFC- Elemente und der Brennstoffelektrode der angrenzenden SOFC-Elemente ausgebildet ist, durch die leitende luftdichte Trennwand isoliert ist und sowohl die Luftelektrode als auch die Brennstoffelektrode mit der leitenden luftdichten Trennwand elektrisch verbunden sind, ist es möglich, angrenzende SOFC-Elemente in Serie zu verbinden. Wenn die Last zwischen dem obersten SOFC-Element und dem untersten SOFC- Element positioniert ist, kann man gleichzeitig problemlos Leistung erzeugen.

Claims

1. Brennstoffzellengenerator (11) umfassend:

eine Anordnung aus einer Vielzahl von Brennstoffzellenelementen (1), von denen jedes eine planare, plattenähnliche Trockenelektrolyttrennwand (9) mit Iönenleitfähigkeit, eine Luftelektrode (10) an einer Seite der Trennwand und eine Brennstoffelektrode (8) an der anderen Seite der Trennwand aufweist;

wobei die Brennstoffzellenelemente parallel angeordnet und voneinander beabstandet sind, wobei jedes benachbarte Paar an Brennstoffzellenelementen der Anordnung so angeordnet ist, daß in jedem Fall einander zwei Luftelektroden oder zwei Brennstoffelektroden über einen Zwischenraum gegenseitig gegenüberstehen;

einen ersten Leistungserzeugungsraum (6A), der zwischen einem einander gegenseitig gegenüberstehenden Paar der Luftelektroden gebildet ist;

einen zweiten Leistungserzeugungsraum (6B), der zwischen einem einander gegenseitig gegenüberstehenden Paar der Brennstoffelektroden gebildet ist;

ein erstes Konstruktionselement (2), das einen Oxidationsgasversorgungsweg mit einem Oxidationsgasversorgungseinlaß (2a) bildet, der sich in den ersten Leistungserzeugungsraum öffnet, um ein Oxidationsgas in den ersten Leistungserzeugungsraum zuzuführen;

ein zweites Konstruktionselement (3), das einen Brenngasversorgungsweg mit einem Brenngasversorgungseinlaß (3a) bildet, der sich in den zweiten Leistungserzeugungsraum öffnet, um ein Brenngas in den zweiten Leistungserzeugungsraum zuzuführen;

ein erstes Vielfachkontaktstromsammelelement (5), das im wesentlichen die gesamte Oberfläche der einander gegenseitig gegen überstehenden Luftelektroden berührt und elektrisch mit dem ersten Konstruktionselement, das den Oxidationsgasversorgungsweg bildet, verbunden ist; und

ein zweites Vielfachkontaktstromsammelelement (5), das im wesentlichen die gesamte Oberfläche der einander gegenseitig gegen überstehenden Brennstoffelektroden berührt und elektrisch mit dem zweiten Konstruktionselement, das den Brenngasversorgungsweg bildet, verbunden ist.

2. Brennstoffzellengenerator (11), umfassend:

eine Anordnung aus einer Vielzahl von Brennstoffzellenelementen (1), von denen jedes eine planare Trockenelektrolyttrennwand (9) mit Ionenleitfähigkeit, eine Luftelektrode (10) an einer Seite der Trennwand und eine Brennstoffelektrode (8) an der anderen Seite der Trennwand aufweist;

wobei die Brennstoffzellenelemente solcherart parallel und voneinander beabstandet angeordnet sind, daß die Luftelektrode eines Brennstoffzellenelements der Brennstoffelektrode eines benachbarten Brennstoffzellenelements gegenübersteht und umgekehrt, und eine leitfähige, luftdichte Trennwand (12) zwischen der Luftelektrode und der Brennstoffelektrode des benachbarten Zellenelements angeordnet ist;

einen ersten Leistungserzeugungsraum (6A), der zwischen der Luftelektrode und der luftdichten Trennwand gebildet ist;

einen zweiten Leistungserzeugungsraum (6B), der zwischen der Brennstoffelektrode und der luftdichten Trennwand gebildet ist;

ein erstes Konstruktionselement, das einen Oxidationsgasversorgungsweg (2A) mit einem Oxidationsgasversorgungseinlaß (2a) bildet, der im ersten Leistungserzeugungsraum an einer im wesentlichen zentralen Stelle positioniert ist, um ein Oxidationsgas in den ersten Leistungserzeugungsraum zuzuführen;

ein zweites Konstruktionselement, das einen Brenngasversorgungsweg (2B) mit einem Brenngasversorgungseinlaß (2b) bildet, der im zweiten Leistungserzeugungsraum an einer im wesenlichen zentralen Stelle positioniert ist, um ein Brenngas in den zweiten Leistungserzeugungsraum zuzuführen;

ein erstes Vielfachkontaktstromsammelelement (5), das im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Luftelektrode berührt und elektrisch mit der leitfähigen, luftdichten Trennwand und dem ersten Konstruktionselement, das den Oxidationsgasversorgungsweg bildet, verbunden ist; und

ein zweites Vielfachkontaktstromsammelelement (5), das im wesentlichen die gesamte Oberfläche der Brennstoffelektrode berührt und elektrisch mit der leitfähigen, luftdichten Trennwand und dem zweiten Konstruktionselement, das den Brenngasversorgungsweg bildet, verbunden ist.

3. Brennstoffzellengenerator nach Anspruch 2, worin das erste und das zweite Konstruktionselement ein Zweiwegversorgungsrohr (2) bilden.