HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Festoxidelektrolytbrennstoffzelle (SOFC) und insbesondere eine im
Oberbegriff des Anspruchs definierte
Festoxidelektrolytbrennstoffzelle, die als eine Zelle für
Wasserelektrolyse, CO&sub2;-Elektrolyse und andere Elektrolysearten sowie für
Energie- oder Stromerzeugung eingesetzt werden kann.
Hintergrund-Technologie
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Die Erfinder vorliegender Erfindung haben eine
Konstruktion vorgeschlagen, bei der eine
Sauerstoffelektrodenschicht und eine Brennstoffelektrodenschicht mit den
betreffenden Flächen einer Festoxidelektrolytschicht
verbunden oder vereinigt sind zwecks Bildung einer
dreilagigen Energieerzeugungsschicht, die ihrerseits auf beiden
Seiten mit einer Vielzahl von Warzen oder Grübchen
versehen ist (vgl. offengelegte JP-Gebrauchsmusteranmeldung
Hei. 4-8259 und offengelegte JP-Patentanmeldung
Hei. 6-215778, jeweils mit dem Titel "Solid Oxide
Electrolyte Fuel Cell", d.h.
Festoxidelektrolytbrennstoffzelle). Die erstere Veröffentlichung schlägt einfach
das Vorsehen von Grübchen vor, während die letztere
Veröffentlichung auf die Optimierung einer elektrischen
Verbindung zwischen den Grübchen und Zwischenverbindern
(interconnectors) gerichtet ist.
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Eine andere Festoxidelektrolytbrennstoffzelle ist in
der JP-A 22 76 166 beschrieben. Bei dieser
Brennstoffzelle sind die Erhebungen oder Vorsprünge nur in einer
Festelektrolytplatte ausgebildet, und die Stromkollektoren
sind als Platten an den Scheiteln (peakes) auf beiden
Seiten der Festelektrolytplatte angeordnet. Diese
Veröffentlichung erwähnt nicht die spezifische Konstruktion
und Anordnung der Vorsprünge bezüglich der Gewährleistung
optimaler Größen von Vorsprungdurchmesser, -höhe und
-mittenabstand unter Berücksichtigung der Strömung von
Sauerstoff und Brennstoffgas in Abhängigkeit vom
Druckverlust.
Aufgabe der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die
Schaffung einer Festoxidelektrolytbrennstoff zelle, bei
welcher die Energieabgabeleistung verbessert ist.
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Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht in der
Ermöglichung der Auswahl einer Vorsprung- oder
Grübchenform (dimple shape) entsprechend Anwendungsfällen, wie
Hochkapazitätseinsatz und Niederkapazitätseinsatz in
einem geschlossenen Raum.
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Für die Verbesserung der Energieabgabeleistung in
Abhängigkeit von der Form besteht der Hauptgesichtspunkt
darin, wie die Reaktionsfläche für eine bestimmte, feste
Kapazität zu vergrößern ist. Außerdem muß eine
Gasströmung berücksichtigt werden.
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Es ist wünschenswert, daß Ausbeulungen, d.h. - in
anderen Worten - Vorsprünge, die an der Strom- oder
Energieerzeugungsschicht aus den drei Schichten der
Brennstoffelektrode, des Festoxidelektrolyten und der
Sauerstoffelektrode
angeordnet sind, für die Gasströmung
kreisförmig und für die Reaktions(ober)fläche rechteckig
sein sollen.
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Da jedoch mehrere Energieerzeugungsschichten
abgelagert (oder gestapelt) und ein Gaseinlaß sowie ein -auslaß
einander zugewandt angeordnet sind, wird der Überlegung
der Gasströmung im Hinblick auf einen Druckverlust oder
-abfall Priorität eingeräumt. Die Vorsprünge, d.h. die
Außenflächen der Grübchen, müssen daher eine Form ähnlich
einem Zylinder aufweisen. Für die Vergrößerung der
Reaktionsfläche bei der festen Kapazität unter Erfüllung
dieser Anforderung stellt die Höhe der Vorsprünge ebenfalls
einen wichtigen Faktor dar.
ABRISS DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist nachstehend
zusammengefaßt. Eine Festoxidelektrolytbrennstoffzelle (SOFC) mit
einer Warzen- oder Grübchenstruktur gemäß dieser
Erfindung ist in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Fig. 1 ist eine
auseinandergezogene perspektivische Darstellung; Fig. 2
ist eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Ansicht im
Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1, und Fig. 3 ist
eine Schnittansicht in einem zusammengebauten Zustand
(der Zelle).
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Die Anordnung nach diesen Figuren umfaßt
Energieerzeugungsschichten 11A und 11B, eine
Brennstoffelektrode 12, einen Festoxidelektrolyten 13, eine
Sauerstoffelektrode 14, Grübchenvorsprünge 15A an der
Wasserstoff(Brennstoff-)Seite, Grübchenvorsprünge 15B an der
Sauerstoffseite sowie Zwischenverbinder 16A bis 16C. Jede der
Energieerzeugungsschichten 11A und 11B besteht aus der
Brennstoffelektrode 12, dem Festoxidelektrolyten 13 und
der Sauerstoffelektrode 14. Der obere
Zwischenverbinder 16A ist mit Hilfe eines leitfähigen Klebmittels 17
elektrisch mit den Grübchenvorsprüngen
(Wasserstoffseite) 15A der Energieerzeugungsschicht 11A verbunden;
der mittlere Zwischenverbinder 16B ist mit Hilfe eines
leitfähigen Klebmittels 19 elektrisch mit den
Grübchenvorsprüngen (Sauerstoffseite) 15B der
Energieerzeugungsschicht 11A verbunden. Ob das leitfähige Klebmittel 17
über die Gesamtoberfläche, mit Ausnahme von
Versiegelungs- oder Abdichtabschnitten 18, oder auf Bereiche
einer gewissen Oberfläche entsprechend den jeweiligen
Vorsprüngen 15A aufgetragen werden soll, wird beim
Entwurf in Abhängigkeit von der Leistung der Zelle
bestimmt.
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Wenn die leitfähigen Klebmittel 17 und 19 auf die
Gesamtoberfläche aufgetragen werden, sind die
Materialkosten natürlich höher als im Fall ihres teilweisen
Auftrags, während dabei nahezu alle transversalen
elektrischen (Strom-)Flüsse absorbiert werden und der
elektrische Widerstand herabgesetzt ist.
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Wenn dagegen die leitfähigen Klebmittel 17 und 19
teilweise aufgetragen werden, sind die Materialkosten
geringer, während die elektrischen Flüsse an (in) den
betreffenden Bereichen konzentriert sind und der
Widerstand entsprechend größer ist.
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Die Auftragfläche der leitfähigen Klebmittel 17 und
19 wird daher auf der Grundlage von
Wirtschaftlichkeitsberechnungen von Gesamtfaktoren, wie aktueller Preis der
leitfähigen Klebmittel 17 und 19 bestimmt.
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Zweckmäßig bestehen das leitfähige Klebmittel 17 und
die Brennstoffelektrode 12 aus dem gleichen Werkstoff und
bestehen auch das leitfähige Klebmittel 19 und die
Sauerstoffelektrode
14 aus dem gleichen Werkstoff. Wenn es
wirtschaftliche Erwägungen zulassen, kann jedes der
leitfähigen Klebmittel 17 und 19 aus einem Werkstoff, wie
Platin, bestehen, der von dem des Elektrodenmaterials
verschieden ist. Die jeweiligen, auf diese Weise
geformten Elemente sind in Fig. 3 im Zusammenbauzustand
dargestellt. Die Ausgangsleistung (abgegebene Leistung) kann
weiter vergrößert werden, indem die Anordnungen nach
Fig. 3 vertikal oder horizontal angeordnet werden.
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Nach dem Eintritt über einen Brennstoffeinlaß 20
wird ein Brennstoff, wie H&sub2;, durch die Vorsprünge 15A
ausreichend diffundiert bzw. verteilt, während er
zwischen dem Zwischenverbinder 16A und den
Grübchen-Außenflächen strömt. Ebenso wird nach dem Eintritt über einen
Sauerstoff(luft)einlaß 21 Sauerstoff (Luft) durch die
Grübchenvorsprünge 15B diffundiert bzw. verteilt, in der
Sauerstoffelektrode 14 ionisiert und durch den
Festoxidelektrolyten 13 geleitet. In der Brennstoffelektrode 12
reagiert der Brennstoff mit den Sauerstoffionen unter
Erzeugung elektrischer Energie. Brennstoff und Sauerstoff
(Luft), die nicht umgesetzt worden sind, treten über
Auslässe aus, die den Einlässen 20 bzw. 21 gegenüberliegend
angeordnet sind.
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Um bei der Festoxidelektrolytbrennstoffzelle die
Energieabgabeleistung bei einer festen Kapazität zu
verbessern, sind ersichtlicherweise zwei wichtige Faktoren
gegeben: Vergrößerung der Oberfläche der
Energieerzeugungsschicht und Erleichterung bzw. Begünstigung der
Diffusion von Gasen. Im Hinblick darauf sind
Wechselbeziehungen zwischen dem Mittenabstand der Grübchenanordnung
sowie Durchmesser und Höhe der Grübchen am wichtigsten.
Der Grübchen-Halb (mitten) abstand (horizontaler Abstand
zwischen einer Oberseite und einem Boden) ist
vorzugsweise so klein wie möglich. Durchmesser und Höhe der
Grübchen sind bezüglich der Verbesserung der
Energieabgabeleistung eng aufeinander bezogen; was nicht zur
Verbesserung der Leistung beiträgt, wird nicht
notwendig(erweise) durch einfache Vergrößerung der Oberfläche pro
Einheitskapazität verbessert. Bei Untersuchung der Wirkung
der Höhe (H) bei einem bestimmten festen Durchmesser (D)
des Grübchens haben die Erfinder beispielsweise
herausgefunden, daß ein Bereich besteht, in welchem eine
Vergrößerung der Höhe zu einer Verschlechterung der Leistung
führt. Weiter hat es sich gezeigt, daß der
Festoxidelektrolyt 13 dünner ausgebildet sein sollte, eine
übermäßige Verdünnung aber nur eine geringe Wirkung bringt.
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Fig. 2 (vergrößerte Darstellung im Schnitt längs der
Linie A-A in Fig. 1) verdeutlicht Definitionen der
Grübchenhöhe (H), des Grübchen-Halbabstands ((1/2)P) und des
Grübchendurchmessers (D).
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Nach verschiedenen Untersuchungen im Hinblick auf
die geschilderten Probleme und auf der Grundlage der
obigen Erkenntnis haben die Erfinder folgendes
herausgefunden: Es ist zweckmäßig, auf beiden Seiten der
Energieerzeugungsschicht 11A (11B) die größtmögliche Zahl von
Grübchen 15A und 15B vorzusehen, solange diese die
Gasströmungen nicht beeinträchtigen. Unter diesen
Bedingungen kann ein maximaler scheinbarer
Energieerzeugungswirkungsgrad mit oder bei einer festen Kapazität durch
Anwendung einer Grübchenform erzielt werden, die durch
H = 3,2D - (1/2)P ± D bestimmt ist. Die Größen in obiger
Gleichung sind diejenigen zur Verbesserung des
scheinbaren (apparent) Energieerzeugungswirkungsgrads und hängen
nicht vom Elektrodenmaterial ab. Dies bedeutet, daß die
obigen Größen zum Bestimmen der Form für die Verbesserung
der Grundleistung der Brennstoffzelle dienen.
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Auf der Grundlage obiger Untersuchungsergebnisse ist
bei der Festoxidelektrolytbrennstoffzelle gemäß der
Erfindung die Energieerzeugungsschicht mit drei Schichten
aus Brennstoffelektrode, Festoxidelektrolyt und
Sauerstoffelektrode mit an beiden Seiten geformten zahlreichen
Grübchen versehen, wobei die Grübchen so geformt und
angeordnet sind, daß sie H = 3,2D - (1/2)P ± D und
D/0,5P ≥ 0,68 genügen.
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Mit dieser Konfiguration kann die erfindungsgemäße
Festoxidelektrolytbrennstoffzelle eine hohe Energieabgabe
entsprechend Anwendungsfällen, wie
Hochkapazität-Energieerzeugung für landgestützten Einsatz, Mittel- oder
Niedrigkapazität-Energieerzeugung für gemeinsame Erzeugung
(cogeneration) und als Strom- oder Energiequelle für
Einsatz in einem geschlossenen Raum, welche Energiequelle
kompakt gebaut sein muß, gewährleisten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische
Darstellung einer
Festoxidelektrolytbrennstoffzelle (SOFC) gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung,
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Fig. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene
Darstellung im Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1,
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Fig. 3 eine Schnittansicht des Zusammenbauzustands der
Festoxidelektrolytbrennstoffzelle nach Fig. 1,
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Fig. 4 eine graphische Darstellung der
Festoxidelektrolytbrennstoffzellen- bzw. SOFC-Leistung und
der Dicke von YSZ, das einen
Festoxidelektrolyten bildet,
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Fig. 5 eine graphische Darstellung zur
Veranschaulichung, wie Durchmesser und Höhe von Grübchen
die SOFC-Leistung beeinflussen, wenn die YSZ-
Dicke auf 100 um (vgl. Fig. 4) eingestellt und
der Grübchenmittenabstand festgelegt ist, und
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Fig. 6 eine graphische Darstellung zur
Veranschaulichung, wie Durchmesser und Höhe von Grübchen
die SOFC-Leistung beeinflussen, wenn die YSZ-
Dicke auf 200 um (vgl. Fig. 4) eingestellt und
der Grübchenmittenabstand festgelegt ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung ist
nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 im einzelnen
beschrieben.
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Im allgemeinen bestehen eine Brennstoffelektrode 12,
ein Festoxidelektrolyt 13 und eine
Sauerstoffelektrode 14, welche eine Energieerzeugungsschicht 11 bilden,
aus den folgenden Materialien bzw. Stoffen:
Brennstoffelektrode 12: Ni/YSZ, NiCeO&sub2;/YSZ und dgl.;
Festoxidelektrolyt 13: YSZ; und Sauerstoffelektrode 14: LaSrMnO&sub3;,
Lacoo&sub3; und dgl. Die Zwischenverbinder 16A bis 16C
bestehen z.B. aus LaMgCrO&sub3; oder feuerfesten Legierungen auf
Ni-Basis.
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Um bei dieser Ausführungsform die Bewertung der
forminduzierten bzw. -abhängigen Leistungsunterschiede zu
ermöglichen, wurden die im folgenden angegebenen
Materialien bzw. Stoffe verwendet. Brennstoffelektrode 12:
Ni/YSZ (60:60); Festoxidelektrolyt 13: YSZ;
Sauerstoffelektrode 14: LaSrMnO&sub3;; Zwischenverbinder 16A - 16C:
LaSrCrO&sub3;.
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Andere feste Parameter, die in den Versuchen benutzt
wurden, sind folgende: Die Teilchendurchmesser der für
die Brennstoffelektrode 12 und die Sauerstoffelektrode 14
benutzten Stoffe betrugen 1,95 um bzw. 2,45 um. Der
Gasdiffusionskoeffizient, d.h. (Zwischenraum- oder
Porenverhältnis)/(Biegegrad) 6/T in jeder der Elektroden betrug
0,02. Der Sintergrad, d.h.
(Sinterlänge)/(Teilchendurchmesser), zwischen jeder Elektrode und dem
Festoxidelektrolyten 13 (CYSZ) betrug 0,04. Die
Energieerzeugungs-Atmosphärentemperatur einer die
Energieerzeugungsschicht 11 aufnehmenden Zelle lag bei
1000ºC. Ferner wurden der Brennstoffelektrode 12 und der
Sauerstoffelektrode 14 befeuchteter Wasserstoff bzw. Luft
zugespeist.
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Unter den obigen Bedingungen wurde zuerst versucht,
eine geeignete Dicke des Festoxidelektrolyten 13 zu
bestimmen. Die Ergebnisse finden sich in Fig. 4.
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Die anderen Bedingungen bei diesem Versuch waren
folgende: Dicke der Brennstoffelektrode 12 = 50 um; Dicke
der Sauerstoffelektrode 14 = 75 um; Durchmesser D der
Grübchen = 1,25 mm; Höhe H der Grübchen = 1,06 mm; und
halber Mittenabstand (1/2)P der Grübchen = 1,38 mm.
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Gemäß Fig. 4 beeinflußt die YSZ-Dicke in großem Maße
die Energieabgabeleistung (Strom- oder Energiedichte).
Dies bedeutet, daß herausgefunden wurde, daß im
Dickenbereich
gemäß dem Versuch die Energieerzeugungsleistung
verbessert ist, wenn das YSZ dünner geformt wird. Zur
Bestimmung einer optimalen Form der Grübchen selbst wurde
jedoch in den folgenden Versuchen die YSZ-Dicke auf 100 u
m und 200 um festgelegt, und zwar zusätzlich dazu, daß
die Dicken der Brennstoffelektrode 12 und der
Sauerstoffelektrode 14 feste oder festgelegte Parameter waren.
Zur Begünstigung der Versuche zum Bestimmen der optimalen
Form wurde weiterhin der Grübchen-Halb (mitten) abstand
((1/2)P) mit 1,85 mm statt dem oben angegebenen Wert von
1,38 mm festgelegt.
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Die Parameter zum Bestimmen der Form wurden wie
folgt vorgegeben:
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(1) Grübchendurchmesser D (mm) (und sein Verhältnis
zum halben Mittenabstand ((1/2)P): 0,8 (0,43), 1,0
(0,54), 1,25 (0,68), 1,5 (0,81), 1,8 (0,97)
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(2) Grübchenhöhe (H): 0,5 - 4,0 mm mit Abständen
oder Zwischenräumen von 0,25 mm.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen Ergebnisse von Versuchen, in
denen die obigen Parameter bei auf 100 um (Fig. 5) und
200 um (Fig. 6) festgelegter YSZ-Dicke variiert wurden.
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Die beiden graphischen Darstellungen zeigen die
gleiche Tendenz in der Leistung. Während nämlich die
YSZ-Dicke Absolutgrößen der Leistung verändert, ruft sie
nahezu keine Änderungen in den Einflüssen von Faktoren
wie Grübchendurchmesser (D) und Grübchenhöhe (H) hervor.
Obgleich der Grübchendurchmesser (D) physikalisch den
halben Mittenabstand (half pitch) ((1/2)P) nicht
übersteigen kann, sollte ersterer möglichst dicht bei
letzterem liegen.
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Wenn der halbe Mittenabstand ((1/2)P) mit 1,85 mm
festgelegt ist, wird eine maximale Energieabgabe mit
einem Grübchendurchmesser D von 1,8 mm bei einer
Grübchenhöhe H von 3,5 mm erzielt. Eine maximale
Energieabgabe mit einem Grübchendurchmesser D von 1,25 mm wird
erreicht, wenn die Grübchenhöhe H 2 mm beträgt. Bei einem
Grübchendurchmesser D von 0,8 mm nimmt die Energieabgabe
ständig ab, wenn sich die Grübchenhöhe H von 0,5 mm auf
4 mm vergrößert. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, daß
eine Korrelation bzw. Abhängigkeit zwischen dem
Durchmesser (D) und der Höhe (H) der Grübchen besteht.
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Auf der Grundlage obiger Ergebnisse ist folgende
Gleichung (1) als Gleichung, um angenähert maximale
Leistung zu gewährleisten, aufgestellt worden.
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(Grübchenhöhe (H)) = 3,2 x (Grübchendurchmesser (D)
- (halber Grübchenmittenabstand (1/2)P) ... (1)
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Eine Linie A in Fig. 5 und eine Linie B in Fig. 6
sind nach Gleichung (1) abgeleitete Linien zur
Gewährleistung maximaler Leistung. Die Linien A und B stimmen gut
mit Meßstellen der maximalen Leistung nach den Fig. 5 und
6 überein. Auf der Grundlage der Kennlinien nach den
Fig. 5 und 6 wurde eine gewünschte Grübchenform als
(nach) Gleichung (2) ermittelt, die einen wünschenswerten
Anderungsbereich für tatsächliche Anwendung enthält,
welcher Bereich dem Grübchendurchmesser D entspricht.
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H = 3,2 x D - (1/2)P ± D ... (2)
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Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, besteht
eine Obergrenze für die Grübchenhöhe (H) zur Vergrößerung
der Reaktionsoberfläche pro Einzelzelle, die eine einzige
Energieerzeugungsschicht 11 aufnimmt bzw. enthält.
Üblicherweise stellt eine Vergrößerung der Zellenhöhe bei
Hochkapazität-Energieerzeugung an Land kein Problem dar.
Wenn jedoch die Festoxidelektrolytbrennstoffzelle in
einem geschlossenen bzw. beengten Raum, wie in einem
Raumfahrzeug oder einem Unterseeboot eingesetzt wird,
kann möglicherweise der räumlichen Begrenzung Vorrang vor
den Kosten eingeräumt werden, d.h. Kompaktheit ist
vorrangig.
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Zur Erzielung einer erforderlichen
Energieerzeugungsabgabe sollte daher für jeden Fertigungsfall
bestimmt werden, ob eine Leistungsabgabe pro Zelle erhöht
(die Gestehungskosten sind aufgrund einer kleinen
Zellenzahl niedrig, doch die Gesamthöhe ist groß) oder die
Gesamthöhe der gestapelten Zellen verkleinert werden soll
(die Gestehungskosten sind infolge einer größeren
Zellenzahl hoch). Darüber hinaus werden die Gasströmungen und
der Druckverlust dadurch beeinflußt, ob das Verhältnis
zwischen dem Durchmesser und dem halben Mittenabstand
vergrößert und der Mittenabstand verkleinert werden
sollen, um eine große Leistungsabgabe zu erreichen, oder
umgekehrt das Verhältnis zwischen dem Durchmesser und dem
halben Mittenabstand verkleinert und der Mittenabstand
vergrößert werden sollen.
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Im Zusammenhang damit ist es eine Sache des Entwurfs
oder der Konstruktion, abhängig von einer erforderlichen
bzw. geforderten Leistungsabgabe zu entscheiden, ob die
Hinzufügung einer zusätzlichen oder
Hilfs-Energieversorgung kein Problem in der wirtschaftlichen Leistung
aufwirft. Erfindungsgemäß kann eine optimale Form gewählt
werden.