DE69408940T2 - Festoxidelektrytbrennstoffzelle - Google Patents

Festoxidelektrytbrennstoffzelle

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Technisches Gebiet
  • 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
  • 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.
  • 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
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Festoxidelektrolytbrennstoff zelle, bei welcher die Energieabgabeleistung verbessert ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer Festoxidelektrolytbrennstoffzelle (SOFC) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Darstellung im Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1,
  • Fig. 3 eine Schnittansicht des Zusammenbauzustands der Festoxidelektrolytbrennstoffzelle nach Fig. 1,
  • Fig. 4 eine graphische Darstellung der Festoxidelektrolytbrennstoffzellen- bzw. SOFC-Leistung und der Dicke von YSZ, das einen Festoxidelektrolyten bildet,
  • 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
  • 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
  • Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung ist nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 im einzelnen beschrieben.
  • 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.
  • 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;.
  • 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.
  • Unter den obigen Bedingungen wurde zuerst versucht, eine geeignete Dicke des Festoxidelektrolyten 13 zu bestimmen. Die Ergebnisse finden sich in Fig. 4.
  • 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.
  • 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.
  • Die Parameter zum Bestimmen der Form wurden wie folgt vorgegeben:
  • (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)
  • (2) Grübchenhöhe (H): 0,5 - 4,0 mm mit Abständen oder Zwischenräumen von 0,25 mm.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Auf der Grundlage obiger Ergebnisse ist folgende Gleichung (1) als Gleichung, um angenähert maximale Leistung zu gewährleisten, aufgestellt worden.
  • (Grübchenhöhe (H)) = 3,2 x (Grübchendurchmesser (D) - (halber Grübchenmittenabstand (1/2)P) ... (1)
  • 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.
  • H = 3,2 x D - (1/2)P ± D ... (2)
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. Festoxidelektrolyt-Brennstoffzelle mit einer Grübchenstruktur-Energieerzeugungsschicht (11), die drei Schichten aus einer Brennstoffelektrode (12), einem Festoxidelektrolyten (13) und einer Sauerstoffelektrode (14) aufweist, wobei beide Flächen der Grübchenstruktur Energieerzeugungsschicht (11) mit einer Vielzahl von Grübchen (dimples) (15A, 15B) geformt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Grübchen (15A, 15B) so geformt und angeordnet sind, daß sie den folgenden Bedingungen genügen:
    H = 3,2 x D - 0,5 x P ± D und
    D / 0,5 x P ≥ 0,68,
    worin bedeuten:
    H = Grübchenhöhe,
    D = Grübchendurchmesser,
    P = Grübchenmittenabstand.
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