DE69905019T2

DE69905019T2 - Flexible anorganische elektrolytische brennstoffzellenausführung

Info

Publication number: DE69905019T2
Application number: DE69905019T
Authority: DE
Inventors: D. Ketcham; R. Powell; J. St. Julien; L. Stewart
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1999-02-09
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2019-02-10
Also published as: EP1060534A1; EP1060534A4; US6045935A; DE69905019D1; EP1060534B1; JP2011103304A; JP4873780B2; WO1999044254A1; JP2002505512A

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung ist eine Brennstoffzelle, bei der eine Membran aus einem anorganischem Elektrolyt verwendet wird, die zur Energieerzeugung verwendbar ist, besonders zur Verwendung beim Transport, und insbesondere Hochtemperatur-Brennstoffzellen, bei denen flüssiger Brennstoff (Diesel und Benzin) für Automobil-Energieerzeugungsanlagen und für den intermittierenden Betrieb von Energieerzeugungsanlagen verwendet wird. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle so ausgelegt, dass sie nicht-planare Elektrolyt/Elektroden-Strukturen aufweist, die mechanisch und gegen Wärmeschock beständig sind.

Hintergrund der Erfindung

Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, bei denen Wasserstoff verwendet wird, sind bekannt und wurden zur Verwendung als Energiequellen in Automobilen vorgeschlagen. Da diese Zellen nur Wasserstoff verbrauchen können, ist es für die Verwendung von flüssigen Brennstoffen erforderlich, den Brennstoff zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid/-dioxid umzuwandeln, und eine Oxidation oder ein Auswaschen des Kohlenstoffmonoxids, welches das System bei sehr niedrigen Gehalten vergiftet, vorzunehmen.
Feststoffoxid-Brennstoffzellen sind weithin bekannt, wurden jedoch auf Energiequellen beschränkt, die nicht wiederholt einem Temperaturwechsel ausgesetzt sind. Zur Anwendung für eine Automobil-Energieerzeugungsanlage ist es notwendig, dass die Brennstoffzelle recht schnell betriebsbereit wird, vorzugsweise in schneller als 5 Minuten, bevorzugter in weniger als 2 Minuten und noch bevorzugter in weniger als 30 Sekunden. Energieanforderungen, um eine Brennstoffzelle vom Hochtemperatur-Feststoffoxid-Typ die ganze Zeit in einem Auto heiß zu halten, verbieten sich. Da eine Brennstoffzelle fast jedes Mal bei Verwendung eines Autos erhitzt werden müsste, müsste die Zelle vielleicht bis zu 10 bis 20 tausend Heizzyklen überstehen können. Bis heute wurde keine anorganische Elektrolyt-Feststoffoxid- Brennstoffzelle entwickelt, die eine ausreichende Hitzeschockbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber Heizzyklen aufweist, um für diese Anwendung in Erwägung gezogen zu werden In dem zugehörigen US-Patent 5,089,455 sind beispielsweise flexible dünne Keramiken beschrieben, von denen einige Zusammensetzungen als Elektrolyte für Brennstoffzellen einsetzbar wären. Kürzlich wurde in US-Patent 5,273,837 die Verwendung solcher Zusammensetzungen zur Bildung einer hitzeschockbeständigen Brennstoffzelle beschrieben. Nirgendwo in diesen Dokumenten ist die Anwendung dieser Zusammensetzungen und dieser Brennstoffzellen für Automobil-Energieerzeugungsanlagen erwähnt. Dünne gewellte Keramikstrukturen sind als Flüssigkeitserhitzer im US-Patent 5,519,191 beschrieben.
Die vorangehende Diskussion dient dazu, zu zeigen, dass die Verwendung von Zirconiumdioxid als ein Elektrolyt bekannt ist und die Verwendung von ((LaSr)MnO&sub3;) und anderer bezüglich der Ausdehnung übereinstimmender elektrisch leitfähiger Perowskit- Strukturen zur Verwendung als luftseitige Elektroden bekannt ist sowie auch die Verwendung von Zirconiumdioxid/Nickel-Verbundstoffen für brennstoffseitige Elektroden. Weiterhin wurden Metalle, intermetallische Verbindungen und LaCrO&sub3; für Verbindungsstrukturen verwendet. Unabhängig davon besteht nach wie vor ein Bedürfnis nach verbesserten Feststoffoxid-Brennstoffzellen, insbesondere nach Brennstoffzellen, die eine sehr hohe Erhitzung und/oder Heizzyklen überstehen können. Dies ist das Ziel der vorliegenden Erfindung.

Zusammenfassung der Erfindung

Kurz gesagt betrifft diese Erfindung eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle mit einem Oxidationsmittel-Reservoir, einem Brennstoff-Reservoir und einer Elektrolytstruktur, welche zwischen dem Oxidationsmittel- und Brennstoff-Reservoir angeordnet ist, in welcher der Elektrolyt eine nicht-planare Schichtstruktur aufweist.
Gemäß einem Aspekt betrifft diese Erfindung eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle wie in Anspruch 1 angegeben. Die begrenzende Form der gekrümmten Elektrolytschicht ist nicht kritisch und kann kreisförmig, oval, elliptisch, pentagonal, hexagonal, heptagonal, octagonal oder ähnlich sein.
In Ausführungsformen weist die Festelektrolyt-Brennstoffzelle eine Gestaltung mit zentraler Zuführ auf.
Diese Erfindung betrifft vorzugsweise eine hitzeschockbeständige Festelektrolyt- Brennstoffzelle zur wiederholten und zwischenzeitlichen Ein-/Aus-Verwendung auf, welche 100 bis 4.000 Heizzyklen von Raumtemperatur bis auf Betriebstemperatur von bis zu 1.000ºC in Zeiten von weniger als 5 Minuten bis zu einer Stunde, aushaken kann.
Diese Erfindung kann daher eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle betreffen, die bis zu 4.000 Heizzyklen von Raumtemperatur bis Betriebstemperaturen von bis zu 1.000ºC überstehen kann.
So wie in dieser Beschreibung verwendet:
bedeutet "Heizzyklus", dass die Brennstoffzelle wiederholt und/oder zwischenzeitlich von Raumtemperatur oder irgendeiner Anfangstemperatur auf eine Betriebstemperatur von bis zu 800, 1.000ºC oder sogar höher erhitzt wird und anschließend wieder auf Raumtemperatur oder Anfangstemperatur abgekühlt wird;
bedeutet "nicht-planar", dass die Elektrolyt-Struktur nicht in einer Ebene liegt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Radialströmungs-Brennstoffzellen-Gestaltung mit seitlicher Zufuhr.
Fig. 2 und 3 stellen eine Radialströmungs-Brennstoffzelle-Gestaltung mit zentraler Zufuhr dar, welche eine Einheitszelle eines Stapels zeigen.
Fig. 4 ist eine schematische Einzelteildarstellung einer "Wiederholungseinheit" eines Feststoffoxid-Brennstoffzell(SOFC)-Stapels mit innerer zentraler Sammelleitung bzw. Rohrleitung, die die Verwendung von ineinandergeschachtelten Leitungsrohren zeigt, mit perforierten keramischen Ringen für die Gaszufuhr zu Elektroden und Blenden zur Verhinderung einer Vermischung von Brennstoff/Luft.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht der Wiederholungseinheit von Fig. 4, welche die Zufuhr von Brennstoff und Luft zeigt sowie die Verwendung von faserförmigen Matten als Stromkollektoren.
Fig. 6 ist eine Einzelteildarstellung einer Wiederholungseinheit, welche die Verwendung von porösen und nicht-porösen Abstandshaltern zum Trennen von Schichten und zur Zuführ von Brennstoff und Luft zeigt.
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht der Wiederholungseinheit von Fig. 6, welche die Verwendung von porösen und nicht-porösen Abstandshaltern zum Trennen von Schichten und zur Zufuhr von Brennstoff und Luft zeigt sowie die Verwendung von faserförmigen Matten als Stromkollektoren.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Diese Erfindung ist eine anorganische Elektrolyt-Brennstoffzelle für elektrische Energie, insbesondere für die Energieversorgung von Automobilen, Lastwagen, Bussen, Lokomotiven, Schiffen, etc. Die Brennstoffzelle ist eine gegenüber Hitzschock und Heizzyklen beständige anorganische Elektrolyt-Brennstoffzelle, die schnell auf Betriebstemperatur erhitzbar ist und viele tausende von Heizzyklen übersteht. Weiterhin können in der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle flüssige Brennstoffe, wie beispielsweise Diesel, Benzin, Ethanol und Methanol u. a. verwendet werden. Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellen-Gestaltung, insbesondere eine nicht-planare Elektrolyt-Gestaltung für eine solche Brennstoffzelle. Vorteile einer solchen Brennstoffzelle für Beförderungsenergie sind eine bessere Brennstoffeffizienz (ein besserer Benzinverbrauch), geringere umweltverschmutzende Emissionen, ein geringeres Gewicht, keine Schwingung, weniger Reibung und Verschleiß, weniger Ausgangsmaterialien und aufgrund der flexiblen Keramikfolien-Gestaltung, eine leichte Herstellbarkeit.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle besteht aus Sammelleitungs- bzw. Verteiler- bzw. Mehrfach-Strukturen, womit die thermische Belastung der Zellbestandteile reduzierbar oder begrenzbar ist. Die wesentlichen Bestandteile dieser Strukturen sind:
1) eine flexible, nicht-planare Elektrolyt-Subanordnung; 2) Brennstoff- und Oxidationsmittel-Verteilerrohre bzw. Sammelleitungen, von denen einige porös und/oder perforiert sein können; und 3) ein/e wahlweise elektrisch leitfähiges Stromkollektor- Gitter, -Netzwerk, -Filz oder -Fasermatte, welche aus Metall, Cermet, metallbeschichteter Keramik oder leitfähiger Keramik aufgebaut sind.
Ein Schlüsselaspekt der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist, dass die Querschnitte der Verteilerrohre bzw. Sammelleitungsrohre so gewählt sind, dass die Belastung vermindert wird und die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung und -fortpflanzung eingeschränkt wird. Die Verteilerrohre bzw. Sammelleitungsrohre können zylindrischer Natur sein oder von kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt. Vorzugsweise sind die Verteilerrohre kreisförmig und/oder besitzen abgerundete Eigenschaften ohne scharfe Kanten. Beispielsweise können die Rohre quadratische Querschnitte mit abgerundeten Ecken aufweisen. Verteilerrohre mit scharfen Ecken sind problematisch, da die scharfen Ecken dazu neigen, während des Heizzyklus als Belastungskonzentratoren zu wirken.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer nicht-planaren, z. B. konischen oder sanft geschwungenen bzw. sanft gekrümmten Elektrolyt-Schichtstruktur. Die Elektrolytschicht selbst weist eine nicht-planare Form auf, bei der mindestens ein Spannungsentlastungsbereich über eine Basisebene der Schicht erhoben ist. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung definieren wir die Grundschicht- bzw. Basisschicht-Ebene als Referenzebene, die allgemein parallel zu der Schicht verläuft und die eine gerade Grundlinie enthält, die die größte lineare Dimension der Schicht überspannt. Für eine geeignete Spannungsminderung bzw. Spannungsentlastung sollte die Erhöhung des Schichtteils bzw. der Schichtteile über die Grundebene der Schicht so sein, dass das Verhältnis der Schichterhöhung zur größten Schichtdimension mindestens ungefähr 1 : 600 beträgt, jedoch nicht mehr als ungefähr 1 : 3. Vorzugsweise ist dieses Verhältnis nicht größer als ungefähr 1 : 6. Flexible Subanordnungen, bestehend aus innig miteinander verbundenen Anoden-Elektrolyt- Kathoden-Sandwichstrukturen, wie im US-Patent 5,089,455 beschrieben, jedoch mit geeigneter hinzugefügter Krümmung bzw. Biegung, sind bevorzugt. Die Subanordnungen können weiterhin integrale Stromkollektoren in Form von Gittern oder Linien oder porösen leitfähigen Schichten besitzen.
Der Elektrolyt wird vorzugsweise aus ionischen Leitern ausgewählt, wie beispielsweise Yttrium-dotiertem Zirconiumdioxid, Calciumoxid-dotiertem Zirconiumdioxid, Seltenerd- Oxiden, dotiert mit anderswertigen Oxiden, wie beispielsweise: Ceroxid, dotiert mit Yttriumoxid und/oder Gadoliniumoxid und/oder Ytterbiumoxid und/oder Erbiumoxid und anderen dreiwertigen Oxiden, insbesondere anderen seltenen Erden; dreiwertigen Seltenerd- Oxiden, wie beispielsweise Yttriumoxid, Gadoliniumoxid, Neodymiumoxid, Ytterbiumoxid, dotiert mit anderswertigen Oxiden, beispielsweise Magnesiumoxid, Calciumoxid, Strontiumoxid und anderen +2-wertigen Metalloxiden und gemischten Seltenerd-Gallaten und -Aluminaten, wie beispielsweise Lanthan-Aluminat und Lanthan-Gallat oder Neodymium- Alluminat und Gallat, dotiert mit anderswertigen Oxiden, wie beispielsweise Magnesiumoxid, Calciumoxid und anderen +2-wertigen Metalloxiden. Die integralen Anoden- und Kathoden- Schichten stellen einen elektrischen Kontakt bereit und drei Phasengrenzen (Gas/Elektrolyt/Katalysatorteilchen), damit auf der Oberfläche des Elektrolyts die entsprechenden elektrochemischen Reaktionen stattfinden.
In einer besonders geeigneten Ausführungsform wird eine Brennstoffzelle mit Sammelleitung bzw. Mehrfachstruktur (Engl.: manifolded fuel cell) mit verbesserter Beständigkeit gegenüber thermischer oder mechanischer Belastung während des Betriebs hergestellt, wobei kreisförmige, flexible Subanordnungen verwendet werden. Ungleich anderen Sammelleitungs- bzw. Mehrfachstrukturgestaltungen, die dazu neigen, die Biegung der Anode/Elektrolyt/Kathode-Subanordnungen einzuschränken, erlaubt die vorliegende Gestaltung, dass sich diese Subanordnungen krümmen oder biegen, um eine Belastung abzubauen. Dies ist insbesondere bedeutsam im Fall einer Belastung aufgrund von Wärmegradienten. Solche Belastungen können durch die Stauchung der Subanordnungen abgemildert werden. Die Stauchung vermindert die Gesamtbelastung in der Subanordnung und vermindert daher die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs.
Es ist bevorzugt, dass die Sammelrohre bzw. die Verteilerrohre oder das Rohr in Kontakt mit dem Elektrolyten aus einem Material sind, welches hinsichtlich der Ausdehnung an den Elektrolyt angepasst ist und/oder welches aufgrund der porösen oder perforierten Struktur, welche die Verteilerrohre besitzen, nachgebend bzw. flexibel ist. Für eine bessere Flexibilität können auch Riefen bzw. Wellungen des Elektrolyten in dem Verteilerrohr und anderen Rohrkontaktbereichen hergestellt werden. Für Elektrolyte auf Zirconiumdioxid-Basis beinhalten derartige Sammelleitungsmaterialien Zirconiumdioxid, Zirconiumdioxid/Titaniumoxid-Legierungen, Glaskeramiken in der Alkali-Seltenerd-Silicat-Familie, Nickel und Nickel-Zirconiumoxid-Cermets, rostfreie Stähle (insbesondere solche der ANSI-400- Reihe), Nickel-Legierungen u. a. Wenn erwünscht, ist ein Mittel zur Herstellung von Porosität in diesen Materialien das teilweise Sintern von Pulver-Formkörpern dieser Materialien.
Die Einrichtung zum Sammeln des Stroms von der Anode oder Kathode (der Stromkollektor) kann ein integraler Teil der Subanordnung sein. Mit dem Stromkollektor kann auch eine separate nicht-integrale leitfähige Wolle, Filz oder faserförmige Matte eingesetzt werden. Wenn ein relativ dicker (> 100 Mikrometer) Stromkollektor eingesetzt wird, sollte er aus einem nachgiebigen Material sein, so dass die Subanordnung zum Abbau von Spannung biegbar ist.
Der Stromkollektor sollte so gewählt werden, dass er mit der oxidierenden oder reduzierenden Natur der Brennstoffzellen-Umgebung kompatibel ist. Stromkollektor-Elemente in Kontakt mit der Kathode sollten einen Leiter enthalten, welcher in einer oxidierenden Umgebung stabil ist. Beispiele solcher Leiter sind Edelmetalle, einschließlich Silber, Gold, Platin, Palladium sowie Legierungen und Cermets davon. Andere geeignete Materialien für den Stromkollektor sind oxidationsbeständige Metalle, wie beispielsweise bestimmte Nickel- Legierungen, leitfähige Keramiken, wie beispielsweise dotierte Seltenerd-Oxide von Chrom, Mangan, Kobalt, Nickel u. a., sowie dotierte Zirconoxide, wie beispielsweise Kupfer- und Titan-dotiertes Zirconiumoxid.
Stromkollektorelemente in Kontakt mit Brennstoff werden aus Leitern ausgewählt, die in reduzierenden Bedingungen stabil sind, wie beispielsweise leitfähigen Metallen einschließlich Nickel, Nickel-Cermets, wie beispielsweise Nickel-Zirconiumoxid-Cermets, eisenhaltigen Legierungen, Chrom-Legierungen u. a., leitfähigen Keramiken, wie beispielsweise dotierten Seltenerd-Oxide von Chrom, Mangan, Kobalt, Nickel u. a., sowie dotierten Zirconoxiden, wie beispielsweise Kupfer- und Titan-dotiertem Zirconiumoxid.
Der Verteiler bzw. die Mehrfachstruktur kann so hergestellt werden, dass angrenzende Subanordnungen eine von zwei möglichen relativen Orientierungen aufweisen. In einer hiervon sind die angrenzenden Subanordnungen ähnlich orientiert, so dass die Anode einer Subanordnung an die Kathode der am nächsten liegenden Subanordnung angrenzt (Anode/Elektrolyt/Kathode-Anode/Elektrolyt/Kathode). Diese erste Orientierung kann als eine, "A/E/C-A/E/C"-Wiederholungs-Sammelleitung bezeichnet werden, da die angrenzenden Subanordnungen die Anode/Elektrolyt/Kathode in der gleichen Orientierung wiederholen. In dieser Orientierung sind benachbarte Zellen leicht in Reihe elektrisch verbindbar durch Verbinden der Kathode einer Subanordnung mit der Anode der angrenzenden Subanordnung. Eine solche Anordnung ist ähnlich einer Batterie in der die Spannung über die gesamte Anordnung die Summe der Spannung aller Subanordnungen ist. In der A/E/C-A/E/C- Wiederholungsorientierung wird eine Verbindung aus nicht-porösem Metall oder Keramik oder eine Trennscheibe zwischen jeder Subanordnung benötigt, um den mit den Anoden in Kontakt befindlichen Brennstoff von dem mit der Kathode in Kontakt befindlichen Oxidationsmittel zu trennen. Die Wiederholungseinheit eines solchen Brennstoffzellen- Generators kann dann sein: Trenneinrichtung/Stromkollektor mit Sammelleitungsrohrbereich(en)/Anode/Elektrolyt/Kathode/Stromkollektor mit Sammelleitungsrohrbereich(en). Diese Grundeinheit wird wiederholt, um den Verteiler bzw. die Mehrfachstruktur zu bilden.
Der Stromkollektor kann, wenn er aus einer Woll- oder Fasermatte besteht, dazu dienen, die Diffusion der Gase von den Sammelleitungsrohrbereichen hin zu jeder Elektrode zu ermöglichen. Wenn der Separator elektrisch leitend ist, dann wird im Betrieb ein kompletter Kreis von der Anode einer Zelle durch den Elektrolyten, die Kathode, einen Stromkollektor, den Separator und einen anderen Stromkollektor zu der Anode der benachbarten Zelle hergestellt. Wenn der Separator nicht elektrisch leitend ist, dann muss eine separate Einrichtung bereitgestellt werden zur Vervollständigung des elektrischen Stromkreises. Wenn eine separate Einrichtung zur Vervollständigung des Kreises bereitgestellt wird, können die Anordnungen entweder in Reihe oder parallel verbunden sein.
In einer zweiten Orientierung sind benachbarte Subanordnungen bzw. Sub-Aggregate in entgegengesetzter Weise orientiert, so dass die Anode einer Subanordnung der Anode der am nächsten gelegenen Subanordnung benachbart ist, A/E/C-C/E/A (Anode/Elektrolyt/Kathode- Kathode/Elektrolyt/Anode). In dem A/E/C-C/E/A-Verteiler sind die Separatoren optional, da diese Gestaltung keine Trennung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels zwischen den benachbarten Subanordnungen erfordert. Die A/E/C-C/E/A-Gestaltung erfordert keine elektrische Isolation zwischen den benachbarten Anoden oder Kathoden. Dies kann durch einen nicht-leitenden Separator oder eine nicht-leitende nachgebende poröse Schicht, Matte oder Filz, erreicht werden. Bei dieser Verteilergestaltung bzw. Mehrfachstrukturgestaltung ist eine separate Einrichtung für den Stromtransfer erforderlich. Eine elektrische Verbindung wird durch eine externe Einrichtung hergestellt, während eine Verbindung über Stromkollektoren und leitfähige Verbindungen hergestellt wird. Die individuellen Zellen können entweder parallel oder in Reihe verbunden werden.
Wenn die Zellen parallel verbunden werden, können stromführende Busse vorgesehen sein, mit denen alle Anoden oder alle Kathoden verbunden sind. Wenn die Zellen in Reihe verbunden sind, müssen Verbindungen zwischen der Anode einer Zelle und der Kathode einer anderen Zelle, üblicherweise der benachbarten Zelle, bereitgestellt werden. Durch Verbindung oben beschriebenen Verfahren der elektrischen Verbindung ist es möglich, eine große Vielzahl an Verteiler- bzw. Mehrfachstrukturen bereitzustellen.
Die Erfindung wird weiter unten mit besonderem Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Brennstoffzellen(10)-Gestaltung mit seitlicher Zufuhr. Der nachgiebige Stromleiter oder Leitungen 12 und 14, die zwischen den Zellverbindungen 15 angeordnet sind, ermöglichen die Biegung der Elektroden/Elektrolyt/Elektroden-Dreifachschicht 20 anstelle eines Brechens unter mechanischer oder thermischer Belastung. Auf der durch das Brennstoffrohr 16 versorgten Brennstoffseite kann der Stromleiter 12 ein Nickelfilz oder eine dünne, zu einer Helix geformte Metallfolie sein. An der durch das Luftrohr 18 versorgten Luftseite kann der Leiter 14 ein oxidationsbeständiges Metall oder ein leitfähiges Oxid in einer Vielzahl geometrischer Formen sein, wobei Filz oder flexible dünne Helices zwei Möglichkeiten sind.
Eine bevorzugte Struktur der Brennstoffzelle ist durch die Fig. 2 (Einzelteildarstellung) und 3 (Querschnittsansicht) illustriert, welche eine Einheitszelle des Stapels zeigt. Beide Figuren sind schematische Abbildungen einer Brennstoffzellen-Gestaltung 25 mit zentraler Zufuhr mit einer nicht-planaren Elektrode/Elektrolyt/Elektrode-Folie (Elektrolyt- Subanordnung) 30 sowie in Fig. 3 gezeigten nachgiebigen/flexiblen Stromleitungen 32 und 34. Fig. 2 ist eine schematische Einzelteildarstellung eines zentral und/oder intern mit einer Sammelleitung - versehenen Feststoffoxid-Brennstoffzell(SOFC)-Stapels als "Wiederholungseinheit", in der die Verwendung perforierter Metall-Verteilerrohre bzw. Sammelleitungen 35 und 36 m einem perforierten Keramikrohr 38 für die Gaszuführ zu den Elektroden (Anode 62 und Kathode 64) gezeigt ist, mit Blendenringen 40, um eine Brennstoff-/Luftvermischung zu verhindern. Fig. 3 ist eine Querschnitts ansieht der Wiederholungseinheit von Fig. 2, welche die Zufuhr von Brennstoff und Luft sowie die Verwendung von faserförmigen Matten 32 und 34 als Stromkollektoren zeigt. Die Brennstoffzelle dieser Ausführungsform verwendet zentrale Sammelleitungs-Bereiche, durch welche das Oxidationsmittel und der Brennstoff verlaufen, d. h. kreisförmige Zentralzufuhr- Subanordnungen mit zentraler Führung. Die Elektrolyt-Subanordnungen 30 sind mit Sammelleitungsbereichen gestapelt. Der am weitesten außen liegenden Keramikrohrbereich 38 weist poröse oder perforierte Ringe 55 auf, welche als Gasdiffusoren wirken. In diesem Keramikrohr befinden sich die zwei Gaszufuhr-Sammelleitungen 35 und 36, eine für das Oxidationsmittel (Luft) und eine für Brennstoff, welche Perforationen 58 und 59 an den geeigneten Intervallen aufweisen.
Das Oxidationsmittel und der Brennstoff treten aus den Zufuhr-Sammelleitungen aus, verlaufen durch die Keramikrohr-Perforationen 55, durch den Separator-Filz, Wolle oder faserförmige Matten 32 und 34 und treten mit der Anode 62 oder der Kathode 64 in Kontakt. Es wird verhindert, dass Brennstoff und Oxidationsmittel sich innerhalb des Rings vermischen (zwischen Sammelleitungsrohren und Keramikrohren), mittels Metall- oder keramischen Blendenscheiben 67, welche in den gleichen Intervallen beabstandet sind, wie die Elektrolyt-Subanordnungen und die Metallverbindungen 74. Die Gaszufuhrrohre 35 und 36 im Inneren des Keramikrohrs 38 sind vorzugsweise aus einem oxidationsbeständigen Metall hergestellt, wie diejenigen, die für die Separatorscheiben verwendet werden. Schließlich besteht die dünne und flexible Elektrolyt-Subanordnung 30 aus einer Anode/Elektrolyt/Kathode-Sandwichstruktur, 62/63/64, die vorzugsweise aus gesinterten Schichten von teilweise stabilisiertem Yttriumoxid oder vollständig stabilisiertem Zirconiumoxid (TZP oder YSZ) gebildet ist, in welcher ein zentrales Loch für den Gasdurchgang vorgesehen ist.
Die dünne gesinterte Elektrolytschicht kann wie in US-Patent 5,089,455 offenbart, gebildet werden. Die Elektroden können auf beiden Seiten der vollständig dichten Elektrolytscheiben mit einer Aufschlämmung bzw. Slurry- beschichtet oder siebbedruckt werden. Beide Elektroden werden anschließend an der Luft gebrannt, wobei poröse, jedoch haftende elektronisch leitfähige Schichten erzeugt werden. Die Kathode kann eine leitfähige Perowskit- Keramik sein, wie beispielsweise Lanthanmanganit, während die Anodenschicht aus einem Gemisch aus mit Zirconiumoxid-stabilisiertem Yttriumoxid und Nickel-haltigen Oxidpulvern hergestellt sein kann. Die Anode wird während des Betriebs in dem Brennstoff zu einer porösen, leitfähigen Ni-Zirconiumoxid-Cermet reduziert.
Der Betrieb der Einheit wird durchgeführt, indem Brennstoff und Luft der Sammelleitung zugeführt werden, und die Einheit auf eine ausreichend hohe Temperatur gebracht wird, so dass der Elektrolyt ausreichend leitfähig ist, um die Reaktionen an den Elektroden mit den erforderlichen Geschwindigkeiten für die Entnahme der gewünschten Energie aufrecht zu erhalten. Der Strom wird der Brennstoffzelle durch Anbringen von Leitungen an die ersten und letzten Metallscheiben entnommen.
Eine andere Ausführungsform der Brennstoffzelle verwendet konzentrische Luft- und Brennstoff-Sammelleitungen 82 und 84, jeweils innerhalb des Keramikrohrs 38. Diese ist in den Fig. 4 (Einzelteildarstellung) und 5 (Querschnitt) gezeigt. Wie die Figuren zeigen, sind die porösen oder perforierten Keramikringe 55 und die Gasabdichtungsblenden 67 in dem ringförmigen Raum ähnlich denen, die in Fig. 2 und 3 gezeigt sind. Bei der konzentrischen Konstruktion muss jedoch das am weitesten innen liegende Luftrohr 82 zwischen der Kathode 72 und der benachbarten Metallverbindung 74 über Luft-Seitenrohre 82a durch das Brennstoffrohr 84 verlaufen. Daher werden an diesem Schnittpunkt gasdichte, geschweißte Dichtungen 85 benötigt, um eine Vermischung von Luft und Brennstoff in der Brennstoff-Sammelleitung zu verhindern.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die zentrale Sammelleitung durch zwei oder mehr Sammelleitungen ersetzt. Dieses Beispiel ist in den schematischen Abbildungen der Fig. 6 (Einzelteildarstellung) und 7 (Querschnitt) gezeigt. Wie in den Abbildungen gezeigt ist, sind poröse und nicht-poröse Abstandshalter 95 und 96 jeweils an der Subanordnung angebracht und mit den Metall-Verbindungsscheiben 102 und 104 sowohl von der Anoden-(90) und Kathoden-(97) Seite des Elektrolyten 93 verbunden. Es werden poröse Abstandshalter 95 in dem zentralen Luftdurchgang 92 auf den Kathodenseiten jeder Subanordnung verwendet, während die Brennstoffdurchgänge 94 nicht-poröse Abstandshalter 96 aufweisen, so dass auf dieser Höhe nur Luft diffundieren kann. Auf der Anodenseite der Subanordnung weisen die Brennstoffdurchgänge poröse Abstandshalter auf, wahrend der Luftdurchgang einen nicht-porösen Abstandshalter aufweist. Der Trennabstand zwischen der Elektrolyt-Subanordnung 100 und der Metall-Verbindungsscheibe 102 und 104 wird durch die Abstandshalterhöhe bestimmt. Die Querschnittsansicht von Fig. 7 zeigt die Grundwiederholungseinheit eines Brennstoffzellen-Generators (Metallscheibe/Abstandshalter/Subanordnung/Abstandshalter), welche anschließend wiederholt wird, um die Verteiler bzw Mehrfachstrukturen zu bilden. Jede Metallscheibe/Subanordnung/Metallscheibe bildet eine Verteilerschicht bzw. Mehrfachstrukturschicht.
Jede oben beschriebene Ausführungsform kann andere Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können die Subanordnungen so angeordnet sein, dass die Anoden der benachbarten Subanordnungen einander gegenüberliegen. Wiederum wird der Strom unter Verwendung eines porösen Stromkollektors gesammelt, in dieser Konfiguration sind jedoch zusätzliche Bus-Stege vorgesehen.
Eine leitfähige Wolle oder Filz zwischen der Subanordnung und jeder Metall- Verbindungsscheibe ermöglicht einen Weg, die Subanordnung und Metallscheiben-Schichten unter geringer Spannung zu trennen. Gleichzeitig ermöglichen die Filze die Fusion der Gase zu jeder Elektrode, während sie auch elektrisch mit den Metallscheiben für eine Stromsammlung oder eine elektrische Verbindung der Subanordnungszellen verbunden werden. Der Anodenfilz 106 könnte aus Ni hergestellt sein, während der kathodenseitige Filz 108 aus einer Ag-Pt-beschichteten faserförmigen Matte sein könnte.
In einem Vergleichsbeispiel haben wir ein Finite-Elemente-Thermobelastungsmodell einer 30 Mikrometer dicken planaren flachen Plattenelektrolyt-Membran mit Ausmaßen von 7,62 cm (3 inch) im Durchmesser mit einem 1,27 cm (1/2 inch) Duchmesser zentralen Loch hergestellt, mit einer äußeren Kante bei 800ºC und einer inneren Kante bei 25ºC (10 um dicke Luftelektrode, 10 um dicke Elektrode, 10 um dicke Brennstoffelektrode) mit dem Elastizitätsmodul von Raumtemperatur-dichtem Zirconiumoxid-3-Mol-%-Yttriumoxid (200 GPa) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von dichtem Zirconiumoxid (110 · 10&supmin;&sup7;ºC von 25-1.000ºC). Wir legten einen thermischen Steady-State-Gradienten von 800ºC von der Kante zum Zentrum einer Scheibe mit einem Durchmesser von 3 inch (7,62 cm) mit einem Loch von 0,5 inch (1,27 cm) im Zentrum auf, um sowohl den Temperaturgradienten und Belastungen nachzuahmen, die während eines schnellen Erhitzens (Hochfahren) einer wie in Fig. 2 gezeigten Brennstoffzell-Gestaltung mit zentraler Zufuhr auftreten kann. Wir fanden, dass die Belastungen in diesem Modell perfekt symmetrisch waren und kein Verbiegen auftrat. Ohne ein Verbiegen wird dieser thermische Gradient Belastungen von über 240 Kpsi (1,65 GPa) an der inneren Oberfläche des Halbinch-Lochs in diesem Modell erzeugen. Diese Belastung wird fast alle keramischen Materialien zerbrechen und dieser Belastungstyp schließt die Verwendung eines flachen keramischen Elektrolyten aus, der sich in schnellen Erhitzungssituationen nicht krümmen kann. Diese Beanspruchung ist hinweisend dafür, was eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle aus einer dicken Platte erfahren wird.
Um die Vorteile der vorliegenden Brennstoffzell-Gestaltung zu illustrieren, haben wir in einem anderen Beispiel ein Finite-Element-Thermostress-Modell der gleichen 30 um dicken, nicht-planaren Membranstruktur (eine sehr flache kegelförmige Form) mit einer Kegelhöhe von 0,1 inch (0,254 cm), 30 um Dicke und 3 inch Durchmesser und einem zentralen Loch mit einem Durchmesser von ¹/&sub2; inch, einer äußeren Kante bei 800ºC und einer inneren Kante bei 25ºC erzeugt. Wir fanden, dass die maximalen Beanspruchungen um einen Faktor von 40 niedriger waren, als für das planare Modell beobachtet wurde, d. h. weniger als 6 Kpsi (41 MPa). Die meisten keramischen Elektrolytmaterialien können einer solchen Belastung standhalten. Dieses Belastungsmodell illustriert die ausgeprägte Verminderung der Belastung, die bei Verwendung dünner, flexibler Elektrolyte erhalten werden kann.
In Tabelle I sind die maximalen Belastungen als Funktion der Kegelhöhe aufgelistet. Bei einer Kegelhöhe von 0,5 inch (1,27 cm) fallen die maximalen Zugbeanspruchungen unter 1.000 psi (6,89 MPa). Es ist möglich, solche kegelförmigen Elektrode/Elektrolyt/Elektrode- Dreifachschichten entweder durch Sintern zu einer Kegelform oder durch plastische Deformation bei hoher Temperatur herzustellen. Tabelle I
In Tabelle II sind die maximalen Belastungen in einem Finite-Elemente-Modell einer gewellten Scheibe mit einem Durchmesser von 8 inch (20,32 cm) mit einem Loch von 0,2 inch (0,508 cm) im Zentrum mit einem 800ºC bis 25ºC Steady-State-Temperaturgradienten, der von der Kante zum Zentrum auferlegt wurde, aufgelistet. Wiederum war die Scheibe 30 um dick mit dem Elastizitätsmodul von dichtem Zirconiumoxid-3-Mol-%-Yttriumoxid bei Raumtemperatur. Die Wellenhöhe betrug 0,1 inch (2,54 mm) oder 0,2 inch (0.508 cm) und die Wellen bzw. Riffeln waren konzentrisch um das zentrale Loch herum und gleichmäßig vom Zentrum zur Kante beabstandet angeordnet. Tabelle II Maximale Belastungen in Kpsi (MPa)
Diese Finite-Elemente-Modelle beweisen, dass ein dünner, flexibler, nicht-planarer Elektrolyt, der frei biegbar ist und sich aufgrund von elastischen bzw. nachgiebigen Stromverbindungen krümmen kann, extrem niedrige Belastungen unter Thermoschock- Bedingungen aufweisen kann und ein schnelles Erhitzen übeleben wird, was Brennstoffzell- Gestaltungen mit dicken flachen platten Elektrolyten nicht können.

Beispiele

Die runden Scheiben, auf die in den nachfolgenden Beispielen Bezug genommen wird, der Elektrolyt und insbesondere die Elektrolyt/Elektroden-Folien sind nicht flach dahingehend, dass die Scheibe in allen Beispielen Buckel oder Wellen größer als 200 Mikrometer in der Höhe aufwies, d. h. ein Durchmesser-zu-Höhen-Verhältnis von mehr als 600 : 1.
1) Die Kante einer etwa 15 Mikrometer dicken Scheibe aus Zirconiumoxid-3-Mol-%- Yttriumoxid wurde in die Flamme eines Propangasbrenners gebracht. Die Kante der Probe wurde auf über 1.000ºC, vorzugsweise über 1.400ºC in weniger als ungefähr 3 Sekunden erhitzt. Die Probe brach nicht oder bekam Risse. Dies wurde mehr als 15 mal wiederholt. Dieses einfache Experiment zeigt, dass ein dünner keramischer Elektrolyt mit ausreichender Festigkeit sehr Hitzeschock-beständig sein kann, wenn ermöglicht wird, dass er sich krümmt. Über 100 Proben mit einer Dicke von ungefähr 5 Mikrometer bis ungefähr 35 Mikrometer von Zirconiumoxid-3-Mol-%-Yttriumoxid, Zirconiumoxid-4-Mol-%-Yttriumoxid und Zirconiumoxid-3-Mol-%-Yttriumoxid + 20 Gew.-% Aluminiumoxid überstanden eine ähnliche Behandlung.
2) Die Kante einer etwa 15 Mikrometer dicken Scheibe aus Zirconiumoxid-3-Mol-%- Yttriumoxid mit porösen Platinelektroden von etwa 10 Mikrometer Dicke auf beiden Seiten wurden wie in Beispiel 1 in eine Propanflamme gehalten. Diese Brennstoffzellen-Elektrode/Elektrolyt/Elektrode-Dreifachschicht brach nicht oder bekam keine Risse, auch nach über 20 dieser extremen Hitzezyklen. Dieses zeigt, dass eine Brennstoffzellen-Dreifachschicht extrem Hitzeschock-beständig sein kann, wenn ermöglicht wird, dass sich die Dreifachschicht elastisch krümmen und verformen kann.
3) Eine runde Scheiben aus Zirconiumoxid-3-Mol-%-Yttriumoxid von ungefähr 13-15 Mikrometer Dicke und 1 und 9/16 inch Durchmesser wurde auf einen elektrischen Ofen platziert und über 4.000 mal von ungefähr 150-200ºC bis ungefähr 700ºC zykliert. Für dieses Experiment haben wir als Ofen einen elektrisch heizbaren Metall- Waben-Katalysator (EHC, von Coming) mit einem gewundenem elektrischen Weg verwendet. Für das Aufheizen wurde ungefähr eine Minute verwendet, es wurde eine Minute bei ungefähr 700ºC gehalten und anschließend über 2 Minuten abgekühlt, wobei sich eine Gesamtzykluszeit von ungefähr 4 Minuten ergab. Die Probe brach nicht oder bekam Risse. Optische Mikroskopie zeigte keine Zeichen von Wasserdampf/Belastungs-Zersetzung.
4) Ein rechteckiges Stück Zirconiumoxid-3-Mol-%-Yttriumoxid, ungefähr 30 Mikrometer dick, 7/16 inch lang mal 3/8 inch Breite wurde spiegelpoliert bis auf einen Oberflächenzustand einer 0,3 Mikrometer Diamantpaste. Diese Probe wurde dem gleichen Hitzezyklus wie in Beispiel 3 unterzogen, jedoch nur für etwas mehr als 3.700 Zyklen unter Umgebungsfeuchtigkeit im späten November in Coming (N. Y.).
Diese Probe wurde durch optische Mikroskopie untersucht, einschließlich einem Nomarski-Interferenzmikroskop (Nikon Microphot-FX) und auf seine Oberflächenrauheit hin untersucht. Es wurde keine Oberflächenrauheit festgestellt, was anzeigte, dass keine Wasserdampfkorrosion in diesen Materialien unter diesen Bedingungen vorlag.
5) Fünf Streifen Aluminiumfolie, ungefähr 3 mm breit, ungefähr 25 Mikrometer dick, wurden zu einer Helixform mit ungefähr 3 bis 4 mm im Durchmesser und ungefähr 3 cm Länge gewunden. Diese Helix wurde gestreckt, so dass ein Zwischenraum von 0,5 bis 1 mm zwischen benachbarten Schleifen der Metallspirale vorlag. Diese fünf Helices wurden zwischen zwei 3 cm · 3 cm Zirconiumoxid-Membranen, ungefähr 25 Mikrometer dick, befestigt. Beide Schichten konnten gebogen werden und die Helices wurden ebenfalls leicht gebogen bzw. gekrümmt. Eine Krümmung bei Raumtemperatur zeigte, dass die Elektrolytfolie auf mehr als einige Millimeter aus der Form gekrümmt werden konnte, ohne Brüche, auch wenn die Aluminiumfolien- Helices angebracht waren.
6) Drei Streifen Kanthal A-1 (erhältlich von Kanthal AB, Hallstahammar, Schweden) hitzebeständige Legierung, ungefähr 2 mm breit und 50 Mikrometer dick wurde zu einer helikalen Form mit ungefähr 3-4 mm im Durchmesser und ungefähr 3 cm Länge gewunden. Die Helix wurde gestreckt, so dass ein Zwischenraum von 0,5 bis 1 mm zwischen benachbarten Schleifen der Spirale vorlag. Die drei Spiralen wurden zwischen zwei 3 cm · 3 cm Zirkoniumoxid-Membranen, ungefähr 25 Mikrometer dick, mit doppelseitigem Klebeband befestigt. Die zwei Zirkoniumoxid-Folien konnten gebogen werden und die Kanthal-Metallspiralen wurden ebenfalls gebogen. Die Probe wurde nicht thermisch getestet. Die Raumtemperaturverbiegung zeigte jedoch, dass die Elektrolytfolie auf mehr als einige Millimeter aus der Form gebogen werden konnte, ohne einen Bruch, sogar wenn die Kanthalfolie-Helices angebracht werden.
7) In diesem Beispiel bildete die Elektrolyt-/Elektrodenkombination eine leichte Kuppelform mit einer Höhe der Kuppel von ungefähr 3 mm auf jeder Elektrolyt- /Elektrodenkombinationsschicht. (LaSr)MnO&sub3;-Elektroden wurden mit einem Klebeband auf jeweils einer Seite zweier Zirkoniumoxid-3-Mol-%- Yttriumoxidelektrolyt-Folien befestigt, ungefähr 25 um dick und in einer octagonalen Form, ungefähr 7 cm von einer flachen Octagonseite zu einer anderen flachen Octagonseite. Es wurden wie oben sieben Kanthal A-1-Helices hergestellt. Die Helices wurden in (LaSr)MnO&sub3;-Masse eingetaucht und zwischen den zwei beschichteten Elektrolyten angeordnet. Ein kleines Gewicht wurde auf der Elektrolyt- /Elektrodenkombination platziert und die Struktur wurde bei 1.200ºC für zwei Stunden an der Luft gebrannt. Nach dem Brennen war die Elektrodenstruktr porös, weniger als 25 Mikrometer dick und elektrisch leitfähig. Die Übereinstimmung der Wärmeausdehnung war nicht perfekt, da die Kanten der Elektrolyt-/Elektrodenfolie leicht aufgebogen waren. Die Stromverbindungs-Spiralstruktur war an der Elektrodenschicht angebunden. Diese Zwei- Schicht-Brennstoffzellenstruktur verbog sich geringfügig, ohne einen Bindungsbruch. Die Struktur war von einer Octagon- Elektrodenschicht zur zweiten Octagon-Elektrodenschicht leitfähig. Die Struktur wurde einem Ätzzyklus von ungefähr 250ºC bis ungefähr 700ºC mehr als 700 mal unterzogen mit einem dreiminütigen Erhitzen und einem dreiminütigem Gebläseluft(Ventilator)-Kühlzyklus (für eine Gesamtzykluszeit von 6 Minuten). Die Elektrolyt-/Elektrodenfolie zeigte keine Beschädigung. Es brachen jedoch einige der gesinterten Bindungen zwischen den stromführenden Spulen und der Folie. Nach 1.400 Heizzyklen war der Großteil der Helixverbindungen gebrochen, die Elektroden- /Elektrolytfolien zeigten jedoch keine Beschädigung. Eine Untersuchung nach dem Test zeigte, dass nur sehr wenig der (LaSr)MnO&sub3;-Masse auf der oberen Oberfläche der Helices verblieb, während die unteren Spulen zuviel Material aufwiesen und dick waren, aber verbunden. Das Material floss, wenn die Spulen bzw. Spiralen auf den Octagons platziert wurden.
Die obigen Beispiele zeigen, dass wenn flexible Stromverbindungen erreicht werden, dünne, flexible Elektroden-/Elektrolyt-Zweifach-und-Dreifach-Schichten extreme thermische Schockbedingungen überstehen können. Solche Hitzeschockbedingungen sind zu erwarten, wenn Feststoffoxid-Brennstoffzellen für elektrische Energie in Automobilen eingesetzt werden.

Claims

1. Festelektrolyt-Brennstoffzelle (10), die ein Oxidationsmittel-Reservoir, ein Brennstoff-Reservoir und eine nicht-planare Elektrolytstruktur, welche zwischen dem Oxidationsmittel- und Brennstoff-Reservoir angeordnet ist, aufweist;

wobei die Elektrolytstruktur eine flexible Elektrolyt-Sub-Anordnung (20, 30, 100) umfaßt, welche aus einer innig verbundenen integralen Dreifachschicht aus Anoden-(62, 90), Sauerstoffionen-leitfähigen Elektrolyt-(63, 93) und Kathoden-(64, 97) Schichten besteht;

wobei der Sauerstoffionen-leitfähige Elektrolyt eine dünne, nicht-planare, flexible, vorgesinterte, polykristalline Keramikschicht (63, 93) ist, welche eine ausgewählte, größte, lineare, in eine Grundschichtebene fallende Schichtdimension aufweist, und mindestens einen erhöhten spannungsmindernden Bereich mit einer solchen Schichterhöhung oberhalb der Grundschichtebene aufweist, dass das Verhältnis der Schichterhöhung zur größten Schichtdimension im Bereich von ungefähr 1 : 600 bis 1 : 3 liegt; und

wobei die Brennstoffzelle weiterhin flexible oder nachgiebige Stromkollektoren aufweist, welche einen unter reduzierenden Bedingungen stabilen Stromkollektor (32, 106) in Kontakt mit der Anode beinhalten und einen unter oxidierenden Bedingungen stabilen Stromkollektor (34, 108) in Kontakt mit der Kathode.

2. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die nicht-planare Schicht eine Form aufweist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Kegel, einem Kugelausschnitt und einem elliptischen Kuppelquerschnitt, sowie ein Verhältnis der Schichterhöhung zur größten Schichtdimension im Bereich von 1 : 6 bis 1 : 600.

3. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die nicht-planare Schicht eine Schichtbegrenzungsform aufweist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus kreisförmig, oval, elliptisch, pentagonal, hexagonal, heptagonal und oktagonal, sowie ein Verhältnis der Schichterhöhung zur größten Schichtdimension im Bereich von 1 : 6 bis 1 : 600.

4. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei die nicht-planare Schicht eine sanft geschwungene, kuppelförmige Form aufweist.

5. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Elektrolyt durch eine zentrale Zufuhrgestaltung gekennzeichnet ist.

6. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 5, geeignet zum Überstehen von mindestens 100 Heizzyklen von Raumtemperatur bis zu einer Betriebstemperatur von bis zu 1000ºC in weniger als einer Stunde.

7. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 5, geeignet zum Überstehen von bis zu 4000 Heizzyklen von Raumtemperatur bis zu einer Betriebstemperatur von bis zu 1000ºC in weniger als einer Stunde.

8. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der in einer reduzierenden Umgebung stabile Stromkollektor in Kontakt mit der Anode Nickel, Nickel-Zirconiumdioxid- Cermet, eisenhaltige Legierungen, Chrom-Legierungen, Kupfer- oder Titanium-dotiertes Zirconiumdioxid oder leitfähige dotierte Seitenerdoxid-Keramiken, enthaltend Chrom, Mangan, Kobalt oder Nickel, aufweist.

9. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der in einer oxidierenden Umgebung stabile Stromkollektor in Kontakt mit der Kathode Silber, Gold, Platin, Palladium oder Cermets oder Legierungen hiervon, oxidationsbeständige Nickel-Legierungen, Kupfer- oder Titanium-dotiertes Zirconiumdioxid oder leitfähige dotierte Seitenerdoxid-Keramiken, enthaltend Chrom, Mangan, Kobalt oder Nickel, aufweist.

10. Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 5, die weiterhin mindestens eine Brennstoff-Sammelleitung (36) und mindestens eine Oxidationsmittel-Sammelleitung (35) aufweist, wobei die Sammelleitungen Zirconiumdioxid, Zirconiumdioxid-Titandioxid-Legierungen, Glaskeramiken in der Alkali-Seltenerd-Silikat-Familie, Nickel und Nickel-Zirconiumdioxid- Cermets, rostfreie Stahlmaterialien oder Nickel-Legierungen aufweist, und wobei die Elektrolyt-Sub-Anordnung und die Sammelleitungen hinsichtlich der Wärmeausdehnung nah beieinander liegen.

11. Vorrichtung, welche in ihr eine Brennstoffzelle gemäß einem der Ansprüche 1-10 enthält.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, umfassend ein bewegliches Vehikel.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das bewegliche Vehikel aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Lokomotiven, Automobilen, Schiffen, Lastwagen, Baufahrzeugen, Militärfahrzeugen und Flugzeugen.