Hintergrund der Erfindung
1. Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und ein
Brennstoffzellensystem. Insbesondere betrifft die Erfindung Brennstoffzellen, von denen
jede eine Elektrolytschicht in Form einer Platte aufweist, eine
Sauerstoffelektrode, die an einer Oberfläche der Elektrolytschicht angeordnet ist, eine
Brennstoffelektrode, die an der anderen Oberfläche der Elektrolytschicht
angeordnet ist, und ein gaspassagendefinierendes Bauelement aus einem
leitenden Material und gegenüber der Sauerstoffelektrode oder
Brennstoffelektrode zum Definieren von Gaspassagen für Sauerstoff enthaltendes
Gas oder Brennstoffgaspassagen; und ein Brennstoffzellensystem, das
solche Zellen benutzt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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Fig. 11 zeigt eine Zelle C dieser Art nach dem Stand der Technik.
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Diese Zelle C enthält einen Separator 31, der aus einem leitenden Material
gebildet ist und der einen plattenartigen Bereich 31a und ein Paar
streifenförmiger Vorsprünge 31b aufweist, die sich entlang gegenüberliegenden
Enden des plattenartigen Bereiches 31a erstrecken. Der Separator 31 ist
an einer Sauerstoffelektrode (2) oder einer Brennstoffelektrode (3)
angebracht, wobei die streifenförmigen Vorsprünge 31b jeweils
gegenüberliegenden Kanten davon kontaktieren. Eine Mehrzahl leitender
Säulenelemente 32 sind zwischen dem Separator 31 und der Sauerstoffelektrode (2)
oder Brennstoffelektrode (3) angeordnet. Deshalb sind der Separator 31
und die Sauerstoffelektrode 2 (oder Brennstoffelektrode 3) auf leitende
Weise miteinander verbunden, wobei eine Mehrzahl von nutenartigen
Passagen "s" für Sauerstoff enthaltendes Gas (oder Brennstoffgaspassagen
"f") zwischen dem Paar streifenförmiger Vorsprünge 31b gebildet ist.
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Das heißt, ein gaspassagendefinierendes Bauelement R ist von dem
Separator 31 gebildet und eine Mehrzahl von säulenartigen Elementen 32 ist
separat von dem Separator 31 gebildet.
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Ein Brennstoffzellensystem setzt sich aus einer Mehrzahl solcher Zellen
(C) zusammen, die eine über der anderen in beabstandeter Weise
gestapelt sind, um Brennstoffgaspassagen "f" (oder Passagen "sº für Sauerstoff
enthaltendes Gas) zu bilden.
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Jedoch bedingen die konventionellen Brennstoffzellen hohe
Herstellungskosten, da der Separator und die Säulenelemente separat hergestellt
werden müssen. Weiterhin ist der Zellenherstellungsprozeß kompliziert wegen
der Notwendigkeit, die Mehrzahl an Säulenelementen zwischen dem
Separator und der Sauerstoffelektrode (oder Brennstoffelektrode) zu
arrangieren zusätzlich zu einem Schritt des Anbringens des Separators an der
Sauerstoffelektrode (oder Brennstoffelektrode).
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Ferner ist es notwendig, da die Sauerstoffelektrode und
Brennstoffelektrode porös sind, um für Gase durchlässig zu sein, die Kontaktstellen
zwischen den streifenförmigen Vorsprüngen und der Sauerstoffelektrode (oder
Brennstoffelektrode) abzudichten, um einen Gasübertritt zu vermeiden.
Dieses kompliziert den Zellenherstellungsprozeß weiterhin.
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In der JP-A-2 195 656 ist eine Brennstoffzelle offenbart, wo
gaspassagendefinierende Rillen integral mit dem Separator gebildet sind. Jedoch hat
dieser Separator eine glatt polierte Oberfläche. Auch das benachbarte Teil,
die sogenannte Einheitszelle, hat solch eine glatt polierte Oberfläche. Die
Einheitszelle und der Separator können an den Kontaktflächen verschoben
und frei expandiert und kontrahiert werden.
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Gaspassagendefinierende Mittel in Form von geteilten leitenden Elementen
sind in der EP-A-0 524 326 dargestellt. Hier sind die streifenförmigen
Vorsprünge des Separators an der Sauerstoffelektrode angebracht und die
Elektrolytschicht ist vollständig von der Elektrode bedeckt.
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Das Brennstoffzellensystem, das aus solchen Bennstoffzellen hergestellt
ist, die die obigen Nachteile aufweisen, erfordert hohe Herstellungskosten
sowie einen komplizierten Herstellungsprozeß.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist angesichts des oben aufgeführten Standes
der Technik gemacht worden und ihre Aufgabe ist es Brennstoffzellen und
ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, die bei reduzierten
Kosten und durch einen vereinfachten Prozeß hergestellt werden können.
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Die obige Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch die
Merkmale des Anspruchs 1, 2 oder 3 erfüllt.
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Gemäß dieser Konstruktion liegt das gaspassagendefinierende Bauelement
der Sauerstoffelektrode oder der Brennstoffelektrode gegenüber, wobei
das Paar streifenförmiger Vorsprünge jeweils die gegenüberliegenden
Kanten der Elektrolytschicht kontaktiert. Das gaspassagendefinierende
Bauelement ist deshalb elektrisch mit der Sauerstoffelektrode oder
Brennstoffelektrode verbunden, während es eine Mehrzahl von Gaspassagen
zwischen den streifenförmigen Vorsprüngen definiert. Da die
Elektrolytschicht in Form einer Platte undurchlässig für Gase ist, kann der
Gasübertritt verhindert werden, ohne eine spezielle Abdichtungsbehandlung an den
Kontaktstellen zwischen den streifenförmigen Vorsprüngen und der
Elektrolytschicht vorzusehen.
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Die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit geringen
Kosten hergestellt werden, da das gaspassagendefinierende Bauelement,
das einen plattenartigen Bereich aufweist, das Paar von streifenförmigen
Vorsprüngen und die Rillen zum Beispiel einfach durch Formen einer
Mehrzahl von Nuten in einem Plattenmaterial angefertigt werden können.
Das gaspassagendefinierende Bauelement kann einfach gegenüber der
Sauerstoffelektrode oder Brennstoffelektrode plaziert werden. Dies
kombiniert damit, daß eine Abdichtungsbehandlung nicht länger erforderlich ist,
um einen Gasverlust zu verhindern, wie es nach dem Stand der Technik
notwendig ist, vereinfacht den Zellenherstellungsprozeß.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Brennstoffzellensystem
eine Mehrzahl von solchen Brennstoffzellen, die eine über der anderen in
beabstandeter Weise gestapelt sind, um Brennstoffgaspassagen oder
Passagen für Sauerstoff enthaltendes Gas dazwischen zu definieren, und
flexible leitende Elemente, von denen jedes zwischen einem benachbarten
Paar der Brennstoffzellen angeordnet ist.
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Gemäß dieser Konstruktion ist eine Mehrzahl an Zellen elektrisch in Serie
durch die flexiblen leitenden Elemente verbunden, die zwischen
benachbarten Brennstoffzellen angeordnet sind, um ein Brennstoffzellensystem zu
bilden. Sogar wenn die Zellen als Folge eines Temperaturanstieges, der
während des Betriebs des Brennstoffzellensystems auftritt, gebogen
werden, absorbieren die flexiblen leitenden Elemente solche Verbiegungen
und unterdrücken thermische Spannungen. Diese flexiblen leitenden
Elemente halten benachbarte Zellen zuverlässig im leitenden Zustand.
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Entsprechend kann das Brennstoffzellensystem bei geringen Kosten und
durch einen vereinfachten Prozeß hergestellt werden. Dieses
Brennstoffzellensystem hat eine verbesserte Haltbarkeit, wobei die Krümmung der
Zellen absorbiert wird und thermische Spannungen unterdrückt werden.
Weiterhin realisiert die Eigenschaft, daß benachbarte Zellen zuverlässig im
leitenden Zustand gehalten werden, einen reduzierten internen
Wider
stand, so daß die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems gefördert
wird.
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Weitere und andere Aufgaben, Merkmale und Effekte der Erfindung werden
durch die weitere detailliertere Beschreibung der Ausführungsformen der
Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen offenbart.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Frontalansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ist eine teilweise geöffnete Seitenansicht der Brennstoffzelle
nach Fig. 1;
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Fig. 3 ist eine teilweise geöffnete plane Ansicht der Brennstoffzelle
nach Fig. 1;
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Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Weise zeigt, in der
eine Mehrzahl von Zellen nach Fig. 1 gestapelt ist;
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Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems,
das Zellen nach Fig. 1 aufweist;
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Fig. 6 ist eine teilweise geöffnete perspektivische Ansicht eines
Brennstoffzellensystems in einer anderen Ausführungsform der
Erfindung;
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Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Weise zeigt, in der
eine Mehrzahl von Zellen nach Fig. 6 gestapelt sind;
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Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems
mit Zellen nach Fig. 6;
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Fig. 9 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines
Brennstoffzellensystems in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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Fig. 10 (a) bis (e) sind Ansichten die eine Abfolge beim Bilden des
Brennstoffzellensystems von Fig. 9 zeigen; und
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Fig. 11 ist eine Frontalansicht einer konventionellen Brennstoffzelle.
Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen:
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Brennstoffzellen und ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung werden im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Zuerst werden die Brennstoffzellen (C) bezüglich der Fig. 1 bis 3
beschrieben. Jede Zelle (C) hat eine Elektrolytschicht 1 in Form einer
rechteckigen Platte und eine Sauerstoffelektrode 2 in Form einer Schicht oder
Platte, die an einer Oberfläche der Elektrolytschicht 1 angeordnet ist. Die
Elektrolytschicht 1 enthält einen Bereich 1a mit freiliegendem
(exponiertem) Elektrolyt, der sich entlang der gesamten Länge einer jeder ihrer
beiden gegenüberliegenden Kanten erstreckt. Eine Brennstoffelektrode 3,
auch in Form einer Schicht oder Platte, ist an der anderen Oberfläche der
Elektrolytschicht 1 angeordnet, um sich im wesentlichen über ihren
gesamten Bereich zu erstrecken. Deshalb hat die Zelle (C) eine
dreischichtige Plattenstruktur rechtwinkliger Gestalt, um eine elektromotorische Kraft
von der Sauerstoffelektrode (2) und der Brennstoffelektrode (3) abzuleiten.
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Die feste Elektrolytschicht (1) besteht aus tetragonalem Zirkondioxid
(ZrO&sub2;), das eine feste Lösung von Yt (Yttriumoxid) in etwa 3 mol% oder
einem anderen angemessenen Material ist. Die Sauerstoffelektrode 2 ist aus
Lanthan-Manganoxid (LaMnO&sub3;) oder einem anderen angemessenen
Material gebildet. Die Brennstoffelektrode 3 ist ein Cermet von Nickel (Ni) und
Zirkondioxid (ZrO&sub2;) oder einem anderen angemessenen Material.
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Der leitende Separator 4 enthält einen plattenartigen Bereich 4a, ein Paar
von streifenförmigen Vorsprüngen 4b, die sich entlang gegenüberliegenden
Kanten des plattenartigen Bereiches 4a erstrecken, und eine Mehrzahl von
Rillen 4c, die zwischen den streifenförmigen Vorsprüngen 4b angeordnet
sind, wobei alles miteinander einstückig (integral) ausgebildet ist. Der
Separator 4 ist an der Sauerstoffelektrode 2 angeordnet, wobei das Paar von
streifenförmigen Vorsprüngen 4b jeweils mit den das Elektrolyt
aussetzenden Bereichen 1a verbunden ist. Der plattenartige Bereich 4a liegt der
Sauerstoffelektrode 2 gegenüber und ist ihr gegenüber beabstandet, wobei
die Rillen 4c die Sauerstoffelektrode 2 kontaktieren.
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Deshalb sind die Sauerstoffelektrode 2 und der leitende Separator 4
miteinander in leitendem Zustand verbunden, um eine Mehrzahl von
Passagen "s" für Sauerstoff enthaltendes Gas zwischen dem Paar der
streifenförmigen Vorsprünge 4b zu definieren. Umgebende Regionen des leitenden
Separators 4 und der dreischichtigen Plattenstruktur, gesehen in Richtung
des Flusses durch die Passagen "s" für Sauerstoff enthaltendes Gas,
stellen Brennstoffgaspassagen "f" zur Verfügung, die von den Passagen "s" für
Sauerstoff enthaltendes Gas getrennt sind. Öffnungen in einer Seite des
leitenden Separators 4 und der dreilagigen Plattenstruktur fungieren als
Einlässe "si" für Sauerstoff enthaltendes Gas, während Öffnungen in der
anderen Seite als Auslässe "so" für Sauerstoff enthaltendes Gas fungieren.
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Deshalb korrespondiert der leitende Separator 4 mit einem
gaspassagendefinierenden Bauelement R, das Leitfähigkeit aufweist und zur Verfügung
gestellt ist, um Passagen "s" für Sauerstoff enthaltendes Gas zu
definieren, die der Sauerstoffelektrode 2 der dreilagigen Plattenstruktur
gegenüberliegen.
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Neben dem Definieren der Passagen "s" für Sauerstoff enthaltendes Gas
fungiert der leitende Separator 4 als ein Zellenpol zum Ableiten eines
Stromes von der Sauerstoffelektrode 2. Durch die Mehrzahl von Rillen 4c,
die die Sauerstoffelektrode 2 kontaktieren, werden elektrische Passagen,
die einen großen Querschnitt aufweisen, von der Sauerstoffelektrode 2
zum leitenden Separator 4 zur Verfügung gestellt, der als Zellenpol
fungiert.
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Der Separator 4 ist aus Lanthan-Chromoxid (LaCrO&sub3;) oder einem anderen
leitenden keramischen Material gebildet, das eine exzellente
Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation und Reduktion aufweist.
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Ein Brennstoffzellensystem, das durch Anordnen einer Mehrzahl von
Brennstoffzellen C gebildet ist, die den oben beschriebenen Aufbau haben,
wird als nächstes mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben.
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Ein erstes Balkenelement 5 und ein zweites Balkenelement 6, die im
wesentlichen die gleiche Dicke wie jede Zelle C haben und länger als jede
sind, sind in dichtem Kontakt mit den gegenüberliegenden Seitenflächen
der Zelle C plaziert, wo Passagen "s" für Sauerstoff enthaltendes Gas
durch den leitenden Separator 4 geschlossen sind. Ein drittes
Balkenelement 7 und ein viertes Balkenelement 8 gleich in Dicke und länger als die
Zelle C sind in festem Kontakt mit den gegenüberliegenden Kanten der
Zelle C plaziert, wo die Passagen "s" für Sauerstoff enthaltendes Gas offen
sind. Gegenüberliegende Enden des ersten Balkenelementes 5 und des
zweiten Balkenelementes 6 sind in festem Kontakt mit gegenüberliegenden
Enden des dritten Balkenelementes 7 und des vierten Balkenelementes 8
plaziert. Auf diesem Satz von Zellen C und Balkenelementen wird ein
nächster Satz gestapelt, dann ein weiterer Satz usw.
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Auf diese Weise wird eine Mehrzahl von Brennstoffzellen C mit einem
Raum zwischen einem benachbarten Paar gestapelt, um darin
Brennstoffgaspassagen "f" zu bilden.
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Es ist anzumerken, daß ein hitzebeständiger und elektrisch isolierender
Klebstoff 14 zwischen die Seitenflächen jeder Zelle C gefüllt ist,
benachbart den Einlässen "si" für Sauerstoff enthaltendes Gas und den ersten und
zweiten Balkenelementen 5, 6 und zwischen der Kante der Zelle C und
dem vierten Balkenelement 8, um Sauerstoff enthaltendes Gas davon
abzuhalten, an anderer Orte als die Passagen "s" für Sauerstoff enthaltendes
Gas zu fließen.
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Ein flexibles leitendes Element 9 ist zwischen ein benachbartes Paar von
Zellen C gefüllt, um die Passage von Gasen zu gestatten. Deshalb ist ein
benachbartes Paar von Zellen C elektrisch miteinander durch das leitende
flexible Element 9 verbunden. Das flexible leitende Element 9 enthält ein
filzartiges Nickelmaterial oder ein anderes angemessenes Material, das
eine exzellente Widerstandsfähigkeit gegen Hitze und Reduktion aufweist.
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Die Brennstoffgaspassage "f" wird insbesondere als nächstes beschrieben.
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Jedes der dritten Balkenmittel 7 weist einen Rücksprung 7a auf, um eine
Öffnung mit der Brennstoffelektrode 3 der Zelle C zu definieren.
Einlaßdefinierende Elemente 10 sind zwischen einem benachbarten Paar von
ersten Balkenelementen 5 und zwischen einem benachbarten Paar von
zweiten Balkenelementen 6 jeweils angeordnet, um Öffnungen benachbart
zu den Einlässen "si" für Sauerstoff enthaltendes Gas zu definieren. Die
Öffnungen, die durch die einlaßdefinierenden Elemente 10 definiert sind,
agieren als Brennstoffgaseinlässe "fi", während die Rücksprünge 7A als
Brennstoffgasauslässe "fo" fungieren.
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Auf diese Weise sind die Brennstoffgaspassagen "f" so angeordnet, daß
das Brennstoffgas an gegenüberliegenden Seiten in die
Brennstoffgaseinlässe "fi" eintritt und auf kurvigem Weg durch das flexible leitfähige
Element 9 hindurchströmt zu dem Brennstoffgasauslaß "fo".
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Wie in Fig. 5 dargestellt ist, ist eine Gasführung 11 an einer Seite der wie
oben konstruierten Zellanordnung NC vorgesehen, wobei die Gasführung
11 gasdicht ist und mit den Einlässen "si" für Sauerstoff enthaltendes Gas
kommuniziert. Eine Gasführung 12 ist an der anderen Seite bei der
Zellanordnung NC vorgesehen, wobei die Gasführung 12 gasdicht ist und mit
den Auslässen "so" für Sauerstoff enthaltenes Gas und den
Brennstoffgasauslässen "fo" kommuniziert. Deshalb definiert die Gasführung 11 eine
Vesorgungspassage "Ks" für Sauerstoff enthaltendes Gas, die sich dadurch
erstreckt und mit den Einlässen "si" für Sauerstoff enthaltendes Gas
kommuniziert, während die Gasführung 12 eine Entsorgungspassage H
definiert, die sich dadurch erstreckt und mit den Auslässen "so" für Sauerstoff
enthaltendes Gas und den Brennstoffgasauslässen "so" kommuniziert. Die
Entsorgungspassage fungiert auch als eine Verbrennungskammer für die
Verbrennung von ausgeströmtem Sauerstoff enthaltendem Gas von den
Auslässen "so" für Sauerstoff enthaltendes Gas und ausgeströmtes Gas
von den Brennstoffgasauslässen "fo".
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Die Zellanordnung NC ist in einem Kasten 13 befestigt. Die
Brennstoffgaseinlässe "fi" der Zellanordnung NC kommunizieren mit dem Inneren des
Kastens 13, wobei sie als Brennstoffgasversorgungspassagen "kf"
fungieren.
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Eine weitere Ausführung der Erfindung wird mit Bezug auf die Fig. 6
bis 8 beschrieben.
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Zuerst werden Brennstoffzellen C mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben. Jede
Zelle C hat eine Elektrolytschicht 1 in Form einer rechtwinkligen Platte und
eine Sauerstoffelektrode 2 in Form einer Schicht oder Platte, die an einer
Oberfläche der Elektrolytschicht 1 angeordnet ist. Eine auch in Form einer
Schicht oder Platte vorliegende Brennstoffelektrode 3 ist an der anderen
Oberfläche der Elektrolytschicht angeordnet, um sich im wesentlichen über
ihren gesamten Bereich zu erstrecken. An dieser anderen Oberfläche
enthält das Elektrolyt 1 einen das Elektrolyt freilegenden (exponierenden)
Bereich 1b, der sich entlang einer gesamten Länge einer jeder ihrer zwei
gegenüberliegenden Kanten erstreckt. Deshalb hat die Zelle C eine dreilagige
Plattenstruktur rechtwinkliger Gestalt, um eine elektromotorische Kraft von
der Sauerstoffelektrode 2 und der Brennstoffelektrode 3 abzuleiten. Ein
leitender Separator 4 ist an der Brennstoffelektrode 3 angeordnet, wobei
ein Paar streifenförmiger Vorsprünge 4b jeweils an den das Elektrolyt
aussetzenden Bereichen 1a befestigt ist. Der plattenartige Bereich 4a liegt der
Brennstoffelektrode 3 gegenüber und ist ihr gegenüber beabstandet, wobei
eine Mehrzahl von Rillen 4c die Brennstoffelektrode 3 kontaktiert.
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Deshalb sind die Brennstoffelektrode 3 und der leitende Separator 4
miteinander in leitendem Zustand verbunden, um eine Mehrzahl von
Brennstoffgaspassagen "f" zwischen dem Paar streifenförmiger Vorsprünge b zu
definieren. Umgebende Regionen des leitenden Separators 4 und der
dreilagigen Plattenstruktur, gesehen in Richtung des Flusses durch die
Brennstoffgaspassagen "f", stellen Passagen "s" für Sauerstoff
enthaltendes Gas zur Verfügung, die von den Brennstoffgaspassagen "f" getrennt
sind. Öffnungen in einer Seite des leitenden Separators 4 und der
dreilagigen Plattenstruktur fungieren als Brennstoffgaseinlässe "fo" während
Öffnungen in der anderen Seite als Brennstoffgasauslässe "fo" fungieren.
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Deshalb korrespondiert der leitende Separator 4 mit einem
gaspassagendefinierenden Bauelement R, das Leitfähigkeit aufweist und zur Verfügung
gestellt ist, um Brennstoffgaspassagen "s" zu definieren, die der
Brennstoffelektrode 3 der dreischichtigen Plattenstruktur gegenüberliegen.
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Ein Brennstoffzellensystem, das durch Zusammensetzen einer Mehrzahl
von Brennstoffzellen C mit der obigen Konstruktion gebildet ist, wird als
nächstes mit Bezug auf Fig. 7 beschrieben.
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Ein erstes Balkenelement 21 und ein zweites Balkenelement 22, die im
wesentlichen die gleiche Dicke haben wie jede Zelle C und länger als jede
sind, werden in dichten Kontakt mit der gegenüberliegenden Seitenfläche
der Zelle C plaziert, wo die Brennstoffgaspassagen "f" durch den leitenden
Separator 4 geschlossen sind. Ein drittes Balkenelement 23 und ein viertes
Balkenelement 24, die die Dicke der Zelle C haben und länger als diese
sind, werden in dichten Kontakt mit den gegenüberliegenden Kanten der
Zelle C plaziert, wo die Brennstoffgaspassagen "f" offen sind.
Gegenüberliegende Enden des ersten Balkenelementes 21 und des zweiten
Balkenelementes 22 sind in dichten Kontakt mit gegenüberliegenden Kanten
des dritten Balkenelementes 23 und des vierten Balkenelementes 24
plaziert. Auf diesen Satz von Zelle und Balkenelement wird ein nächster Satz
gestapelt, dann ein weiterer Satz usw. Auf diese Weise wird eine Mehrzahl
von Brennstoffzellen C mit einem Raum zwischen einem benachbarten
Paar gestapelt, um dazwischen Passagen "s" für Sauerstoff enthaltendes
Gas zu bilden.
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Es muß bemerkt werden, daß ein hitzeresistenter und elektrisch
isolierender Klebstoff 30 zwischen die Seitenflächen jeder Zelle C gefüllt ist,
be
nachbart den Brennstoffgaseinlässen "fi" und den ersten und zweiten
Balkenelementen 21, 22 und zwischen jener Kante der Zelle C und dem
vierten Balkenelement 24, um Brennstoffgas davon abzuhalten, zu anderen
Orten als den Brennstoffgaspassagen "f" zu fließen.
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Ein flexibles leitendes Element 25 ist zwischen ein benachbartes Paar von
Zellen C gefüllt, um die Passage von Gasen zu gestatten. Deshalb ist ein
benachbartes Paar von Zellen "C" elektrisch miteinander durch das flexible
leitende Element 25 verbunden.
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Das flexible leitende Element 25 enthält ein filzartiges Lanthan-
Manganoxid oder ein angemessenes Material, das eine exzellente
Widerstandsfähigkeit gegenüber Hitze und Reduktion aufweist.
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Die Passagen "s" für Sauerstoff enthaltendes Gas werden insbesondere
als nächstes beschrieben.
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Jedes der dritten Balkenelemente 23 enthält einen Rücksprung 23A, um
einen Auslaß "so" für Sauerstoff enthaltendes Gas zu definieren.
Einlaßdefinierende Mittel 26 sind zwischen einem benachbarten Paar von ersten
Balkenmitteln 21 und zwischen einem benachbarten Paar von zweiten
Balkenmitteln 22 jeweils angeordnet, um Einlässe "si" für Sauerstoff
enthaltendes Gas zu definieren.
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Wie in Fig. 8 dargestellt ist, ist eine Gasführung 27 an einer Seite einer
gemäß dem obigen konstruierten Zellanordnung NC vorgesehen, wobei die
Gasführung 27 gasdicht ist und mit den Brennstoffgaseinläßen "fi"
kommuniziert. Eine Gasführung 28 ist an der anderen Seite der Zellanordnung NC
vorgesehen, wobei die Gasführung 28 gasdicht ist und mit den Auslässen
"so" für Sauerstoff enthaltendes Gas und den Brennstoffgasauslässen "fo"
kommuniziert. Deshalb definiert die Gasführung 27 eine
Brennstoffgaspassage "Kf", die sich dadurch erstreckt und mit den Brennstoffgaseinlässen
"fi" kommuniziert, während die Gaspassage 28 eine Entsorgungspassage
"H" definiert, die sich dadurch erstreckt und mit den Auslässen "so" für
Sauerstoff enthaltendes Gas und den Brennstoffgasauslässen "fo"
kommuniziert.
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Die Zellanordnung NC ist in einem Kasten 29 befestigt. Die Einlässe »si"
für Sauerstoff enthaltendes Gas der Zellenanordnung NC kommunizieren
im Inneren der Box 29, wobei sie als Passagen »Ks" für Sauerstoff
enthaltendes Gas agieren.
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Brennstoffzellensysteme in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
werden im weiteren beschrieben.
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In den vorausgegangenen Ausführungsformen sind die
Brennstoffgaspassagen "f" (oder Passagen "s" für Sauerstoff enthaltendes Gas) so
angeordnet, daß das Brennstoffgas (oder das Sauerstoff enthaltene Gas) den
Brennstoffgaseinlässen "fi" (oder Einlässen "si" für Sauerstoff enthaltendes
Gas) an den gegenüberliegenden Seiten zufließt und durch das flexible
leitende Element 9 kurvenförmig zu dem Brennstoffgasauslaß "fo" (oder
Auslaß "so" für Sauerstoff enthalendes Gas) fließt. Alternativ können die
Brennstoffgaspassagen nf" (oder Passagen "s" für Sauerstoff enthaltendes
Gas) so arrangiert sein, daß das Brennstoffgas oder Sauerstoff enthaltene
Gas den Brennstoffgaseinlässen "fi" oder Einlässen "se" für Sauerstoff
enthaltendes Gas an einer Seite zufließt und gerade durch das flexible
leitende Element 9 zum Brennstoffgasauslaß "fo" oder Auslaß "so" für
Sauerstoff enthaltendes Gas auf der anderen Seite fließt.
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Fig. 9 zeigt ein Beispiel eines solchen Brennstoffzellensystems.
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Das Bezugszeichen "NC" bezeichnet eine Zellenanordnung, die eine
Mehrzahl von Zellen C in Form von rechtwinkligen Platten enthält, die eine über
der anderen in beabstandeter Art und Weise gestapelt sind, um
Brennstoffgaspassagen "f" dazwischen zu definieren.
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Diese Ausführungsform benutzt ein Paar länglicher Teilungselemente 16 in
Form quadratischer Balken und vier Abstandhalter 15 für jede Zelle C.
Je
des der Teilungselemente 16 hat gegenüberliegende Endfläche 16A, die
unter einem Winkel von etwa 45º gegenüber einer Außenfläche davon
gesehen in Stapelrichtung der Zellanordnung NC geneigt sind. Jeder
Abstandhalter 15 hat die Form eines triangularen Prismas, das gesehen in
Stapelrichtung der Zellanordnung NC die Form eines gleichschenkligen
Dreiecks hat mit einem Winkel von etwa 45º, geformt an den
gegenüberliegenden Enden der schrägen Seite. Der Abstandhalter 15 enthält eine erste
Fläche 15A für festen Kontakt, die mit der geneigten Seite korrespondiert,
und eine zweite Fläche 15B für festen Kontakt, die mit den übrigen Seiten
des Dreiecks korrespondiert. Der Abstandhalter 15 hat im wesentlichen die
gleiche Dicke wie eine Zelle C.
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Jede Zelle C ist an einem Paar von Teilungselementen 16 plaziert, die sich
parallel zueinander erstrecken. In diesem Zustand liegen die Seiten der
Zelle C, die Öffnungen intrazellulärer Passagen p1 definieren, über dem
Paar von Teilungselementen 16. Dann ist jeder der vier Abstandhalter 15
an einem Ende einer Seite der Zelle C plaziert, das keine Öffnungen der
intrazellulären Passagen p1 aufweist und den Öffnungen der
intrazellulären Passagen p1 benachbart ist. Das heißt, die vier Abstandhalter 15 sind
in Kontakt mit den Seiten der Zelle C plaziert, die nicht die Öffnungen der
intrazellulären Passagen p1 aufweisen, um die Zelle C am Platz zu halten
und auf dem Paar von Teilungselementen 16, die schon am Platz
angeordnet sind.
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Eine Säule 18 ist entlang einer jeden der vier Ecken der Zellenanordnung
NC errichtet. Jede Säule 18 hat einen trapezförmigen Querschnitt, wobei
eine Seite sich rechtwinklig zu den beiden anderen Seiten erstreckt und
die verbleibende Seite unter etwa 45º gegenüber der längeren der beiden
parallelen Seiten verläuft. Die oben erwähnte verbleibende Seite definiert
eine Kontaktfläche 18A, die sich längs der Säule 18 erstreckt. Die
Kontaktfläche 18A, gesehen in Stapelrichtung der Zellenanordnung NC kreuzt zwei
Seiten kontinuierlich mit der Ecke der Zellenanordnung NC gegenüber der
Kontaktfläche 18A.
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Wenn die Zellenanordnung NC gebildet wird, ist die Kontaktfläche 18A
jeder Säule in dichtem Kontakt mit den Endflächen 16A der
Teilungselemente 16 und mit den ersten Flächen 15A für dichten Kontakt der
Abstandhalter 15. Weiterhin sind die zweiten Flächen 15B für dichten Kontakt
der Abstandhalter 15 in dichten Kontakt mit den Seiten der Zellen C, die
nicht die Öffnungen für die intrazellulären Passagen p1 aufweisen.
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Fig. 10 (a) bis (e) zeigen einen spezifischen Ablauf des Konstruierens
der in Fig. 9 dargestellten Zellenanordnung NC.
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Die vier Säulen 18 werden zuerst an Positionen plaziert, die mit den vier
Enden der Zellanordnung NC korrespondieren. Zu dieser Zeit wird jede
Kontaktfläche 18A so plaziert, daß sie sich unter etwa 45º gegenüber jeder
der zwei Seiten erstreckt, die mit der Ecke kontinuierlich sind, die der
Kontaktfläche 18A gegenüberliegt.
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Als nächstes wird jedes der Teilungselemente 16 in einer Richtung
auswärts der Zellenanordnung NC und im wesentlichen rechtwinklig zur
Stapelrichtung bewegt, um die gegenüberliegenden Endflächen 16A davon
gegen die Kontaktflächen 18A der zwei Säulen 18 zu pressen. Auf diese
Art werden die Teilungsmittel 16 in einem im wesentlichen parallelen Paar
angeordnet.
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Dann wird eine Zelle C so plaziert, daß die Seiten davon, die die
Öffnungen der intrazellulären Passagen p1 definieren, jeweils dicht auf dem
Teilungsmittel 16 verbleiben. Vier Lücken werden zwischen den
Kontaktflächen 18A der Säulen 18 und den Seiten der Zelle C gebildet, die die
Öffnungen der intrazellulären Passagen p1 nicht definieren. Die Abstandhalter
15 werden in diesen Räumen angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt weist jeder
Abstandhalter 15 eine Bodenfläche in dichten Kontakt mit einer oberen
Fläche einer Endregion eines der Teilungselemente 16 auf. Die erste
Fläche 15A für dichten Kontakt jedes Abstandhalters 15 ist in dichten Kontakt
mit der Kontaktfläche 18A einer der Säulen 18. Eine der zweiten Flächen
15B für dichten Kontakt jedes Abstandhalters 15 ist in dichten Kontakt mit
einer Seite der Zelle C.
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Als nächstes wird ein Paar von Teilungsmittel 16 an der Zelle C und den
Abstandhaltern 15 plaziert, die schon an ihrer Position sind. Dieses Paar
von Teilungsmitteln 16 wird so plaziert, daß die Seiten der Zellen C, die
die Öffnungen für die intrazellulären Passagen p1 aufweisen, in dichtem
Kontakt mit unteren Flächen der Teilungselemente 16 sind. Eine weitere
Zelle C und weitere vier Abstandhalter 15 sind auf dem neuen Paar von
Teilungselementen 16 plaziert. Diese Schritte werden wiederholt, um eine
Mehrzahl von Zellen C eine übereinander zu stapeln, wodurch die
Zellenanordnung NC gebildet wird.
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Die Teilungselemente 16 und Abstandhalter 15 sind aus einem
isolierendem und hitzeresistentem Material wie Keramik gebildet. Ein isolierender
und hitzeresistenter Klebstoff kann, wenn nötig, benutzt werden, um
gasdichte Verbindungen zwischen den Endflächen 16A der Teilungselemente
16 und den Kontaktflächen 18A der Säulen 18, zwischen den
Teilungselementen 16 und den Seiten der Zellen C, zwischen den Teilungselementen
16 und den Abstandhalter 15, zwischen den ersten Flächen 15A für
gasdichten Kontakt und den Kontaktflächen 18A der Säulen 18 und zwischen
den zweiten Flächen 15B für gasdichten Kontakt und den Seiten der Zellen
C zur Verfügung zu stellen.
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In der obigen Konstruktion ist eine interzelluläre Passage p2 zwischen
einem vertikal benachbarten Paar von Zellen C gebildet, welches von den
intrazellulären Passagen p1 getrennt ist. Das heißt, die intrazelluläre
Passage p2 hat gegenüberliegenden Seiten, die durch die Teilungselemente
16 definiert sind, und eine Decke und einem Boden, die durch zwei
benachbarte Zellen C definiert sind. Die interzelluläre Passage p2 weist eine
Öffnungsrichtung auf, die im wesentlichen rechtwinklig zur
Öffnungsrichtung der intrazellulären Passagen p1 ist.
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In dieser Ausführungsform fungieren die intrazellulären Passagen p1 als
Passagen "s" für Sauerstoff enthaltendes Gas zur Aufnahme von
Sauerstoff enthaltendem Gas, und die interzellulären Passagen p2 fungieren als
Brennstoffgaspassagen "f" zur Aufnahme von Brennstoffgas. Die
gegenüberliegenden Öffnungen der intrazellulären Passagen p1 fungieren als
Einlässe "si" für Sauerstoff enthaltendes Gas und Auslässe "so" für
Sauerstoff enthaltendes Gas. Die gegenüberliegenden Öffnungen der
interzellulären Passagen p2 fungieren als Brennstoffgaseinlässe "fi" und
Brennstoffgasauslässe "fo".
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Jede interzelluläre Passage p2 ist mit einem brennstoffseitig flexiblem
leitenden Material 9 gefüllt. Das flexible leitende Material 9 umfaßt ein
filzartiges Nickelmaterial oder ein anderes angemessenes Material, das eine
exzellente Widerstandsfähigkeit gegenüber Hitze und Reduktion aufweist.
Dieses leitende Material erlaubt die Passage von Brennstoffgas und
absorbiert thermische Verzerrungen, die in Richtung der Breite der Zellen C
auftreten.
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Eine Versorgungspassage Ks für Sauerstoff enthaltendes Gas und eine
Entsorgungspassage Hs für Sauerstoff enthaltendes Gas sind an den
gegenüberliegenden Seiten der Zellanordnung NC vorgesehen, die die
Öffnungen der Passage "s" für Sauerstoff enthaltendes Gas aufweisen. Eine
Brennstoffgasversorgungspassage Kf und eine
Brennstoffgasentsorungspassage Hf sind an den gegenüberliegenden Seiten der Zellanordnung NC
vorgesehen, die die Öffnungen für die Brennstoffgaspassagen vf"
aufweisen. Diese vier Gasversorgungspassagen Ks und Kf und
Gasentsorgungspassagen Hs und Hf werden durch die Gasführungen 11 definiert, die als
gaspassagendefinierende Mittel fungieren.
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Jede der Gasführungen 11 hat eine kastenartige Konfiguration, die rechte
und linke Seitenwände 11A, obere und untere Seitenwände 11B eine
Bodenwand 11C und Säulen 11D enthält.
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Jede Gasführung 11 ist so angeordnet, daß eine öffnende Seite davon
einer Seite der Zellenanordnung NC gegenüberliegt, wobei die rechten und
linken Wände 11A unter Oberflächenkontakt mit den Verbindungsflächen
18B und 18C der Säulen 18 verbunden sind, die an gegenüberliegenden
seitlichen Enden einer Seite der Zellenanordnung NC angeordnet sind. Das
heißt, die Verbindungsflächen 18B und 18C sind planar ausgebildet, um
dichten Kontakt mit den Gasführungen 11 zu erzielen.
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In der Ausführungsform nach den Fig. 9 und 10 enthält die
Zellenanordnung eine Mehrzahl von Zellen in Form von rechtwinkligen Platten, die
eine über der anderen in beabstandeter Weise gestapelt sind, um
dazwischen Brennstoffgaspassagen "f" zu definieren. Alternativ kann eine
Mehrzahl von Zellen in Form von rechtwinkligen Platten eine über der anderen
in beabstandeter Weise gestapelt sein, um Passagen "s" für Sauerstoff
enthaltendes Gas dazwischen zu definieren. Dann fungieren die
intrazellulären Passagen als Brennstoffgaspassagen "f" und die interzellulären
Passagen als Passagen "s" für Sauerstoff enthaltendes Gas.