EP2795704A2 - Modifizierte planarzelle und stapel von elektrochemischen einrichtungen auf ihrer basis sowie verfahren zur herstellung der planarzelle und des stapels und eine form für die fertigung der planarzelle - Google Patents

Modifizierte planarzelle und stapel von elektrochemischen einrichtungen auf ihrer basis sowie verfahren zur herstellung der planarzelle und des stapels und eine form für die fertigung der planarzelle

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EP2795704A2
EP2795704A2 EP12822989.5A EP12822989A EP2795704A2 EP 2795704 A2 EP2795704 A2 EP 2795704A2 EP 12822989 A EP12822989 A EP 12822989A EP 2795704 A2 EP2795704 A2 EP 2795704A2
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EP
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gas
cell
holes
plate
channels
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Aleksandr S. Lipilin
Viktoria A. Lipilina
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Definitions

  • Modified planar cell and stacks of electrochemical devices on its base as well as methods for producing the planar cell and the stack and a mold for the production of the planar cell
  • the present invention relates to electrochemical high temperature equipment (REAL) with a solid electrolyte, such.
  • RTL electrochemical high temperature equipment
  • fuel cells electrochemical energy generator
  • electrolytic cells electrolytic cells
  • conversion reactors conversion reactors
  • pumps and similar devices As an electrochemical energy generator (fuel cells), electrolytic cells, conversion reactors, pumps and similar devices.
  • the invention relates to the construction of the planar cells for such devices, the execution of the stacks of any REAL with gas collectors for at least one of the reagents, for. As fuel, and a method for producing the planar cell and the stack with such a structure.
  • Compound REXs are known in the art: they are solid oxide fuel cells for directly converting the chemical energy of the fuel into electrical energy. Such electrochemical conversion has a higher electrical efficiency (efficiency) than conventional power generation, e.g. B. in thermal power plants. In addition, electrochemical conversion is more environmentally friendly as it reduces greenhouse gas emissions.
  • the only solid oxide fuel cell consists of three indispensable main parts: a solid electrolyte, an anode and a cathode as well as a so-called interconnect element.
  • the solid electrolyte is usually formed on the basis of oxygen-ion-conducting zirconium dioxide.
  • the anode and the cathode are electronically conductive.
  • the interconnect element usually consists of flat plates for connecting the cells to a stack.
  • the conventional fuel in the solid oxide fuel cells is a synthesis gas. It is generated from any fossil or synthesized hydrocarbons, biogas and waste from life activities. It consists mainly of hydrogen and carbon monoxide.
  • synthesis gas as fuel at the anode and oxidant in the form of oxygen from the air of the atmosphere at the cathode, the following reactions take place:
  • zirconia ceramic is used as the solid electrolyte.
  • the zirconium dioxide is stabilized by yttrium oxide (YSZ).
  • the anode used is nickel-kermet Ni-YSZ, and the cathode is strontium-manganese-manganite (LSM).
  • the voltage of a single cell is about one volt.
  • the cells are connected in series to a stack. sammenge Stahlge.
  • normally electronically conductive current paths are used: ceramic current paths, eg. B. strontium lanthanum chromite, or metal current paths, z. B. from high chromium steels such as Crofer 22 APU used.
  • the solid oxide fuel cells may have different geometries.
  • a corrugated flow path and in the second case, a flow path in the form of a flat plate is used.
  • assemblies for the supply and distribution of the supplied reagents and for the discharge of the Reaction products (gas supply lines) and power feeds are provided. Without these ingredients, the function of the cells, the stack and the GENUINE is not possible. It is also not possible to estimate the specific technical characteristics such as kW / 1, kW / kg. However, these characteristics are required for the comparison of the designs and the definition of their fields of application.
  • a method for producing a tubular electrolyte body is known from DE 10 2010 001 988 A1, is injected in the electrolyte mass in the cavity between a casting core and a mold.
  • the method is intended for the formation of the tubular solid oxide fuel cells and more precisely half cells, ie a thin-layer cell and possibly current collector - interconnect elements on the thicker supporting solid electrolyte.
  • the electrolyte mass (10 a) fills the cavity (12) of the metal mold, wherein the cavity by an iron core (13) and a divisible injection molding tool (1 1 a, 1 1 b) is formed along the cell to be formed, the Electrolyte thickness are not less than 100 pm.
  • a fuel cell which has a multilayer structure of a half-cell, which consists of a solid electrolyte layer with preferred thickness of 15 to 25 pm and a supporting electrode, eg Ni / YSZ anode with preferred thickness below 500 pm and best 300 pm without being manufactured separately.
  • This interlayer is required to avoid the martensitic phase transformations of the ZrO2-based tetragonal solid electrolyte with Y2O3 content of less than 5% (mol) into a monoclinic structure during the patterning process with heating and cooling up to 1400 ° C, because such conversions Changes are accompanied by spatial changes and destruction.
  • the fine layers (films) are produced by the tape casting method, and the intermediate layer (based on Mn oxide) is formed by the air atomization method or another economically efficient controllable method. Neither injecting into a mold nor subsequently deforming the supporting structure is disclosed. Furthermore, no concrete process steps and procedural operating modes are specified. These structures can only be considered under the microscope, and their influence on the electrochemical properties of the solid oxide fuel cells can only be assumed, provided, above all, that these structures are reproducible in the production of fuel cells.
  • WO 2009/014775 A2 discloses a fuel cell with a metallic carrier layer which is produced by film casting, injection molding or the like from a mixture of a metal powder, a binder, and a pore-forming agent. After evaporation of the pore-forming agent, the metal powder is sintered to produce a solid layer.
  • This patent protects the structure of the multilayer composition (claims 1 to 27) containing numerous constituents and materials used in solid oxide fuel cells. The patent also protects the methods for forming these structures (claims 28 to 61). This structure can only be observed under the microscope. Hot spraying of a slip into a mold is not disclosed.
  • a thin ceramic layer on d ⁇ (YSZ) or scandium (ScSZ) stabilized zirconia based solid oxide based on ceria or on the base is most commonly used.
  • the main advantage of a planar construction versus design is a high packing density of the cells in the area-to-perimeter ratio (S / V - (cm 2 / cm 3 ) or 1 / cm).
  • a d electrochemical cell (cathode, solid electrolyte, anode) provides cell strength.
  • the cells may be formed with similar supporting electrolyte if the mechanical electrolyte is predetermined and its strength exceeds one (required thickness)
  • the solid electrolyte has (mostly nickel-kermet-Ni + YSZ) or a cathode (a manganite - LSM), whose strength is correspondingly greater.
  • the best known methods of forming flat and tubular cells include slip casting (from aqueous suspension of the powder material) in plaster molds, thin film casting from butyral-based slurries (prior art tape casting), and hot spraying the cells from paraffin-based slurry (hot paraffin suspension of the powder material) in a cold steel mold (prototype).
  • slip casting from aqueous suspension of the powder material
  • butyral-based slurries prior art tape casting
  • hot spraying the cells from paraffin-based slurry hot paraffin suspension of the powder material
  • a cold steel mold prototype
  • the ceramic compact of the cell construction of powder for. B. YSZ, produced by the method of ceramic injection molding (CIM) in a metal mold and then baked to a dense state (http://www.solidcell.com).
  • the deficiencies of the prior art and the prototype of the planar designs include a complicated gas-tight connection of the gas collectors at the entrance and exit of the reagents in the cell and in the stack and a sufficiently long seam of the gas-tight connection of the cells in relation to the working surface (US - cm / cm 2 or 1 / cm). Since such embodiments require a gas-tight connection of dissimilar materials, not only the production of such cells is difficult, but also reduces the reliability of the REAL total and shorten the life.
  • the shortcomings of the method are that it is not possible to produce cells with a minimum reproducible internal resistance (reproducible thickness of the cell wall and with a wall thickness of less than 0.4-0.5 mm).
  • the prototype of the process makes it possible, based on the known systems used in the electronics industry, to produce products with walls thinner than 0.1-0.2 mm (cast ceramic capacitors).
  • their geometry and dimensions of a few mm do not meet the requirements of high-temperature electrochemical cells having a minimum working area of 75-100 cm 2 .
  • a modified planar design of the cell and stack of gas collectors is intended to combine the major advantages of the planar and tubular designs, and to have a higher packing density over the planar design, as well as a bulky gas tight distribution of the anode and cathode gas spaces, as in a tubular design.
  • the present invention comprises a modified planar cell having (at least) a solid electrolyte, (at least) an anode, and (at least) a cathode, the solid electrolyte, the anode and the cathode forming a wave-like plate.
  • This wave-like plate consists of corrugations forming channels in the shape of isosceles trapeziums of the same height or without a larger lower base for one reagent and channels in the form of inverted isosceles trapezoids without the larger upper base for another reagent.
  • top, bottom, vertical etc. are used in the present application, these are only used to explain the respective object with reference to a special spatial arrangement, as shown for example in the figures.
  • the plane of the above-mentioned plate is usually aligned horizontally.
  • a particular spatial arrangement of the objects according to the invention in general should not be predetermined or excluded.
  • Information such as “vertical” generally refers to the plane defined by the above-mentioned plate.
  • the angle of the legs of the trapezoids of the channels with respect to the respective base can typically be in the range of about 0.1 ° to about 89.9 ° in the planar cells according to the invention.
  • the angle may be more than about 0.5 °, more than about 1, 0 °, more than about 2.0 ° or more than about 5.0 °.
  • edges of the wave-like plate are preferably rounded in order to avoid sharp bending angles with corresponding loads on the material.
  • the solid electrolyte may in particular be or contain a solid oxide.
  • the modified planar cell furthermore preferably has a current path in order to join together parts of the planar cell in an electrically conductive manner. This may in particular be a metal or oxide current path.
  • the modified planar cell furthermore preferably has a stream-gas feed, via which required reaction gases can be supplied or reaction products can be removed and via which the generated stream can be taken off.
  • the power gas supply is preferably electronically conductive.
  • the wave-like plate of the planar cell is generally designed to be load-bearing.
  • the carrying capacity can be achieved by several components (solid electrolyte, anode, cathode, and / or current path) together. Preferably, at least one of these components is self-supporting (ie provided with a sufficiently high layer thickness). tet), while the other components are then preferably not self-supporting.
  • the channels of the wave-like plate are preferably closed by side walls and / or by cover surfaces or bottom surfaces.
  • holes may be present in the side walls, the cover surfaces, the bottom surfaces and / or in the bases of the trapezoids of the channels, which holes are provided with corresponding holes in gas collectors or other modified solar cells (in a stack of Planar cells) communicate.
  • the side walls, cover surfaces and / or bottom surfaces are preferably parts of other components such as gas collectors or current paths.
  • channels of the modified planar cell can also be open at the larger base of the trapezoid upwards or downwards in order to be able to come into direct contact with a reaction gas (for example air) (compare FIGS. 10, 11).
  • a reaction gas for example air
  • an inlet gas collector or an outlet gas collector may be provided.
  • the outlet gas collector is rotated through 180 ° to the axis of the inlet gas collector. That is, the exhaust gas collector receives gases from one end of the channels opposite the end at which the inlet gas collector feeds fuel gas into the channels.
  • the inlet gas collector and the outlet gas collector may preferably be of identical construction.
  • the channels formed in the wave-like plate of the planar cell generally have to be closed towards their upper or lower side. This can be done for example by the flat surface of a gas collector, which is arranged on the channels or under the channels. Furthermore, such a flat Surface of the gas collector preferably be connected to the electrodes of the plate to simultaneously act as a current collector and current clamp of the planar cell.
  • the anode and / or the cathode of the modified planar cell are gas diffused.
  • the anode and the cathode of the modified planar cell are typically disposed on different sides or surfaces of the wave-like plate, sandwiching therebetween the solid electrolyte and together forming an electrochemical cell.
  • the wave-like plate of the modified planar cell may have exactly one anode and / or exactly one cathode.
  • the planar cell multiple pairs of unlike electrodes (i.e., anode and cathode) are provided, with a pair each disposed along at least one channel of the wave-like plate (anode and cathode on different surfaces of the channel wall).
  • the electrodes are arranged somewhat offset on the different sides of the solid electrolyte, so that they can be connected through an interconnect (FIG. 7, item 22) through the solid electrolyte.
  • the connection is preferably carried out via a current path (interconnect), which connects selectively or on a full width / length of an anode to the cathode of a subsequent cell.
  • a current path interconnect
  • modified planar cells can optionally be assembled into a stack. The assembly can take place in all directions, ie in particular in the transverse direction (increasing the number of channels, see Figure 10), in the longitudinal direction (with extension of the channels, see Figure 11), and / or in the height (perpendicular to Plane of the wave-like plate, see Figure 6). In these cases, appropriate care must be taken to adapt the gas collector and the current paths accordingly.
  • the invention proposes a new structural design of the individual solid oxide cell and uses the main principle of a planar design of the solid oxide fuel cells, namely the order of the stack constituents anode, electrolyte, cathode and current path and represents a new modification of cell construction.
  • the present embodiment is a modified planar solid oxide fuel cell.
  • the mechanical and electrical properties of the cell are improved. This is because the rectangular structure of the gas channels is replaced with the stress concentrating at the corners and the thinning of the electrodes on the rectangular edge. This dilution leads to an increase in the internal resistance of the cell and the stack.
  • the large number of walls of the solid electrolyte also causes an increase in the packing density and an improvement in the specific characteristics of the cell.
  • the air duct cross-section must be more than two times larger. Likewise, the cross sections of the openings for the introduction of the reagents and the removal of the reaction products differ.
  • the proposed design ensures a uniform distribution of the gas flows both between the cells and along the electrode surface of each cell.
  • the inventors also propose a method of forming the pending design.
  • the proposed construction consists of at least a three-layered film (anode - electrolyte - cathode) for a wave-like electrochemical section of the cell and for the front and rear walls connected thereto.
  • the front and rear walls are made of an electrolyte film or construction material for flat perforated front and rear walls, whereby one or both reagents are insertable.
  • the gas collector may be arranged either on the upper and lower sides of the cell (in the case of the connection of the cells in the stack along its vertical axis) or on its front and rear walls for one or both reagents.
  • a design of the cell not only allows a synchronous supply of oxidant but also, in relation to the prototype, a synchronous supply of fuel into the stack. This improves the uniformity of the reagent supply and the uniformity of the interstitial pressure. This eliminates the need to limit the number of cells in the stack.
  • the method chosen by the inventors for the formation of the thin-film cell with functional layer thicknesses also leads to a reduction in the internal resistance of the cell, to an increase in its packing density and to the improvement of the specific characteristics of the cell and its energy use effect.
  • Another embodiment of the stack requires that the solid electrolyte has a multi-channel design of the cell.
  • the unlike electrodes of the single cells are applied to each wall of the channels or to the channel group and connected in series with the current.
  • Such a design of the stack construction also allows for an additional increase in the voltage generated by increasing the amount of cells (more than one) disposed on a channel wall.
  • the inventors propose a method of forming the notified structure by hot-spraying into a steel mold. Higher speeds are used for slip casting. The mold used ensures the production of modified planar cells with movable trapezoidal plates in the casting area.
  • Another embodiment of the method for forming the thin-film ECHTE with functional thicknesses of all components is tape casting.
  • a modified planar cell is shown in Fig. 1 (first embodiment).
  • the modified planar cell has a supporting solid electrolyte 1 and electrodes, a cathode 2 and an anode 3.
  • the working part of the planar cell is in the form of a wave-like plate 4 with at least three layers.
  • the three-layer plate 4 consists of odd-numbered Jl-shaped waves 5 of the same height.
  • the shafts 5 are connected to each other in the lower part by means of flat connector 6.
  • Each J1 -shaped shaft 5 represents an isosceles trapeze having no lower base in cross-section and is connected to the adjacent J-shaped shafts 5 by means of flat connectors 6. This results in If-shaped gas spaces in the form of inverted isosceles trapezoids without a larger base, which is open at the top in cross section.
  • the system of uniform gas supply and for the decrease of the generated electricity eg.
  • the active electrochemical part of the cell with an inlet and an outlet gas collector (outlet gas collector) 16 and, accordingly, connected to pipes 17 ren.
  • the tubes 17 are used for supplying fuel and for discharging the reaction products.
  • the tubes 17 are made of metal, they also serve as current collectors (terminals) of the planar cell.
  • the tubes 17 are arranged in the box-shaped gas collectors 16 and have an opening for ensuring a uniform distribution of the reagent gas flows in the planar cell through holes 9.
  • These tubes 17 are mechanically and electrically connected to a gas distribution plate with holes 20 and a gas collector box and provide Thus, an effective current tapping of the electric current generated by the stack on the outer part of the tube 17 safely.
  • FIG. 2 shows cross-sections JI (IT) as ceramic sections of the wave-like plate 4 at the points of corner rounding between the trapezoidal legs and the smaller bases. The rounding off is necessary to eliminate the points of destructive mechanical notch effects and to ensure equal thicknesses of the applied electrodes at these points.
  • FIG. 2 contains sections A (FIG. 1) of a JV-shaped channel of the electrochemical region of the planar cell in various configurations (claims 6 - 9). Show it:
  • the supporting solid electrolyte b - the supporting cathode; c - the supporting anode; d - z.
  • a similar embodiment is also possible with a supporting cathode current collector.
  • the planar cell is exposed to mechanical stress because of the gap differential pressure. These are pressures in the anode and in the cathode compartment. The pressure difference is due to the different passing gas flows of the reagents.
  • the widths of the gas channels h1 and h2 are made proportional to the gas flows of the reagents (Fig. 2A).
  • the angle ⁇ between the leg and the smaller trapezium base may vary in the range of 0.1 to 89.9 ° . If the angle is less than 0.1 ° (casting slope), the production of this component is physically not possible (see Fig. 3 - prototype).
  • the angle can increase up to 89.9 ° .
  • the cell with Jl-shaped waves 5 turns into a flat plate 4 of the planar cell.
  • the front and rear portions of the wave-plate type planar plate 4 are bounded by the flat side walls 7 of solid electrolyte or construction ceramic.
  • Each of the side walls 7 has holes 8 leading into the spaces IT between the J-shaped waves 5 in the solid oxide fuel cells. They serve to supply air and to dissipate the hypoxic mixture.
  • Each Jl-shaped shaft 5 has a hole 9 for fuel supply at the top. This hole 9 leads into the interior of the Jl-shaped shaft 5.
  • the solid electrolyte 1 in contact with the surface of the modified planar cell is covered with a layer of the porous cathode 2. Uncoated remain only the area 10 on the side surfaces and the lower surface along the lower periphery of the planar cell and the zones 11 on the end faces of the Jl-shaped shaft 5, underneath around the above holes 9.
  • the with the lower surface of the modified planar cell in Contact solid electrolyte 1 is with a layer of po- covered with a strip 12 on the lower part of the electrolyte along the lower inner circumference.
  • the holes 8 in the front part of the planar cell serve for air supply.
  • the holes 8 in the rear part of the planar cell serve to remove exhaust air.
  • the exhaust air is a hypoxic mixture O2 + N2 (with a low oxygen content).
  • Each air passage 13 is formed by the If-shaped space between the J-shaped shafts 5 and the flow path or the flat electric insulating plate restricting the cathode space.
  • the current path is at the upper part of the plan cell.
  • the holes 9 are used for fuel supply.
  • Each fuel channel 14 is formed by the inner space of the JI-shaped shaft 5 and the flow path or the anode space limiting flat electrical insulating. The current path is at the lower part of the plan cell.
  • the fifth embodiment (claim 10) of the planar cell is shown in FIG.
  • the gas flow collector is in the form of a flat electron conductive plate 16. Their length and width correspond to those of the electrochemical planar cell with the gas supply tube 17.
  • Within the plate 16 there is a common opening for fuel supply and holes 20.
  • the common opening is located along one of the plate sides (front or rear).
  • the holes 20 run out of the surface to connect to the active part of the planar cell and to secure the flow distribution across the entry holes 9 'of each JI-shaped channel of the solid oxide fuel cells.
  • the holes 20 and 9 are connected to each other gas-tight and form with an electrochemical part 15 and the gas-tight, z. B. by means Glasabdichtmaterials 21, connected to the circumference outlet gas flow collector 16, the anode space of the planar cell.
  • the fuel enters via the inlet gas flow collector 16, distributes itself uniformly over the holes 20 and enters the electrochemical section of the planar cell.
  • the reaction products pass through the holes 20 of the lower gas flow collector.
  • the tubes 17 serve to supply fuel into the common opening of the gas flow collector and the discharge of the reagents. They can emerge both on the side surfaces of the planar cell and on the front and rear surfaces.
  • FIG. 5 The sixth embodiment of the planar cell is shown in FIG. 5.
  • the upper gas flow collector 16 is made of an electron-conductive material, for. Made of high-chromium steel such as Crofer 22 APU. It is connected to the planar cell (cathode) and provides z. B. for the fuel supply.
  • the lower gas flow collector 16 is similar to the upper, is connected to the anode of the cell and z. B. the discharge of fuel residues safely.
  • the cells have Jl-shaped fuel channels with a smaller cross-section as the IT-shaped air channels of the solid oxide fuel cells. Their cross section is proportional to the gas flows.
  • planar cells can be collected in the stack (the first embodiment) along the vertical axis. Each subsequent cell is rotated by 180 ° , Fig. 6 (the figure is shown as an example of the first embodiment of the planar cell).
  • the stack consists of several cells 15 (as an example, only two cells are shown). It has inlet and outlet gas collectors 16 with tubes 17 each for the fuel supply and discharge of the reaction products.
  • the tubes 17 also serve as a pantograph (terminals) of the stack.
  • the tubes 17 within the box-shaped gas collector 16 have an opening for ensuring a uniform distribution of the reagent gas flows in the planar cell via the holes 9.
  • These tubes 17 are mechanically and electrically connected to a Gasverteili- lungsplatte with holes 20 and a gas collector box 16. Thus, the effective current decrease of the electric current generated by the stack at the outer part of the tube 17 is ensured.
  • the gas collector boxes 16 are connected to the planar cells.
  • the cells are interconnected by means of a plate 18 of the current path.
  • the current path is a flat plate 8 whose length and width are equal to the length and width of the planar cell itself.
  • the plate 18 with a series of holes 19 is connected to the upper part of the planar cell in such a way that their holes 19 coincide with the corresponding holes 9 in the upper row of Jl-shaped waves 5 of the planar cell.
  • the holes 20 for the fuel supply and for the discharge of the reaction products also coincide geometrically with the holes 9 of the planar cells.
  • the gas-tight connection of the planar cells, the current paths and the gas collectors in the stack is thanks to an assembly with the help of compaction glass to the Surrounding the holes 9, 19, 20 at the junctions between the upper ceramic edge of the planar cell and the lower edge of the top plate 18 of the current path and between the upper ceramic edge of the upper planar cell and the inlet header 16 in the areas around the upper holes 9 reached.
  • These connections establish a gas impermeable seal between the planar cell and the lower part of the plate 18 of the flow path or between the planar cell and the lower part of the inlet header 16.
  • connection is also made using compression glass. These compounds can be gas-tight. Gas tight connections by means of compaction glass 21 are also made at the periphery of the lower edge of the first planar cell and the upper edge of the current path plate 8 in the periphery and between the lower edge of the second planar cell (or the end cell in the stack) and the exit collector 16.
  • Such connections create a gas-impermeable seal between the first planar cell and the lower plate 18 of the flow path and between the second planar cell and the outlet header 16.
  • the fuel enters the tube 17 - the collector of the inlet header 16 - and then flows through a series of Holes 20 on the lower side of the inlet header 16 and a series of holes 9 on the upper side of the planar cell in the anode channels of the planar cell.
  • the flow moves along the channel and flows at the channel end through the series of holes 19 in the flow path plate 18 and through the series of holes 9 on the upper side of the second planar cell to the next planar cell.
  • the coupled planar cells are rotated 180 ° along their vertical axis.
  • the anode exhaust gas is from the last plan cell of the stack via the series of holes 20 on the upper side of the outlet header 16 and via the pipe 17 as a current collector of the outlet header 6 derived.
  • the air flow enters the holes 8 on the front wall of the planar cell and exits via the same holes 8 on the opposite side of the planar cell.
  • 6 shows the cross sections of the gas collectors and the current collectors 16.
  • Each collector / collector consists of a tube - current collector 17 - and a rectangular housing whose length and width coincide with the length and width of the planar cell.
  • the tube 17 is installed in a housing wall and thus ensures the gas flow to the opposite wall of the housing.
  • the back wall of the housing has holes 20 corresponding to the row of holes on the upper side of the planar cell.
  • the upper gas collector 6 serves to supply the fuel to the stack and the lower of the discharge of anode exhaust gas from the stack.
  • the collector is made of a material that works well with the materials of the solid electrolyte and the current path.
  • a stack (the second embodiment) is shown in FIG.
  • the electrochemical ceramic part, the assemblies for fuel distribution, for the fuel and Oxydansmakers and for the discharge of the reagents are formed as in a single cell.
  • the wave-like plate 4 of solid electrolyte does not have two electrodes - one electrode as the cathode at the top, a second electrode as the anode at the bottom - but a few pairs of electrodes.
  • a ceramic blank may be an element of a solid oxide fuel cell consisting of five fl-shaped fuel channels and four ⁇ -shaped air channels.
  • the ceramic blank may represent a stack of two cells if the anode of the left cell (2.5 ⁇ -shaped channels) with the cathode of the right cell (2.5 / I-shaped channels) with the 3rd Jl-shaped Fuel channel is electrically connected.
  • the stack is formed with five cells when each JI-shaped fuel channel is a cell, and its logical connection of the anode of the preceding cell with the cathode of the subsequent cell down on each If-shaped air duct is executed.
  • each channel wall is an electrochemical cell, a 10-cell stack is formed. The consequent connection of the cells occurs both at the bottom of each If-shaped air channel and at the top of each Jl-shaped fuel channel (see Fig. 7).
  • each wall has two, three or more coupled cells, the stack will be formed from a corresponding set of planar cells. This makes it possible to increase the stack both in height and in width (number of channels) and in length, and to increase the performance by increasing the voltage and decreasing the current, without detriment to the electric efficiency. This reduces the resistance losses, the material expenditure and the weight values.
  • the electrical connection of such stacks takes place either horizontally in the width (by increasing the number of channels) or as usual vertically, as is the case in the first embodiment and FIG. In this case, the material of the current path (interconnect element) against the Elektroisoliermaterial (construction material), z. B. from oxide ceramic on the basis of AI2O3 or Al 2 MgO 4 (alummagnesia) spinel replaced.
  • the plate 18 electrically connecting the cells loses its function and serves as a partition plate which mechanically joins the block stacks together. It breaks up the gas flows and trains them.
  • the gas flow collector loses the function of the current collector (electron conduction) and only fulfills the function of the gas collector. It is therefore made of an electrical insulation material.
  • One of the acceptable methods for forming the bearing component of the modified planar cell is, in the inventors' opinion, a method of hot-spraying slurry, e.g. B. on the basis of paraffin, in a cold steel mold (CIP).
  • CIP cold steel mold
  • the Schlickerh constituent sprayen takes place at a temperature which ensures the flowability of the slip.
  • the critical factor for the formation of the solid electrolyte layer with sufficient mechanical strength is the casting time when casting the required amount of slip: The slip must not "freeze” (harden).
  • the casting process is carried out at maximum speed, which is ensured by a pressure and temperature increase of the cast slurry.
  • an injection time of the required YSZ powder-containing set of slurry must be below 0.2 seconds, as the H exertschlickerströmung passes through narrow channels of the mold and together.
  • the wave-like plate 4 of the planar cell is formed.
  • the flows must not catch any air and generate turbulence, because at these points of the casting (the cell raw part) porosity and low density will arise. This is particularly important for the casting of the solid electrolyte, which must be dense in the cell construction and without open through porosity.
  • the proportion of plasticizer in the slurry is normally reduced.
  • the geometric dimensions are reduced (shrinking) at the same time.
  • the required amount of slip into the mold within injected from 0.2 - 1, 0 sec.
  • the slurry contains powder of the material of the supporting component.
  • no conditions of laminarity of the cast streams are violated. Since the blanks have greater wall thickness and must remain porous after sintering, less stringent casting requirements are imposed. The process does not necessarily have to be carried out under pressure increase for less than 0.2 sec.
  • modified planar cell construction (second embodiment) is the commercial tape casting process.
  • the 40-100 ⁇ m thick solid electrolyte film (ScSZ, YSZ) cast from the thermoplastic slip (for example based on polyvinyl butyral) is coated on one side with a functional layer of a cathode and on the other side with a functional layer of a Anode coated.
  • the coating is carried out by such a method as tape casting, screen printing, rolling or their combination.
  • any coating method is suitable for the planar cells according to FIGS. 1, 4 and 5, any coating method is suitable.
  • the unlike electrodes are applied offset.
  • This offset represents an electrical series connection of the planar cells.
  • the three-layer wave plate of the planar cell or the plate of the stack with electrodes (the electrode width is equal to the height of the JI-shaped channel of Fig. 7, for example) is formed in one device.
  • the plate is made with the front and rear wall 7 (Fig. 1) the film of electrical insulating construction material under heating to 90 - 110 ° C and pressure of 0.2 - 0.4 GPa connected and formed the holes 8 and 9 for the Oxydans and the fuel. This is followed by the process of co-firing. Then, the stock is used for stacking assembly (connection of the gas collector and the electric circuit).
  • a steel mold (see Fig. 8) is required, which ensures the construction of the blank (the casting) of the single cell.
  • the mold consists of a steel housing 1 with devices which ensure the displacement of the movable mold-forming plates with respect to the immovable plates by means of the handles 2.
  • the grips 3 with a threaded connection are provided for the disassembly of the mold and for the removal of the casting.
  • FIG. 9 shows the shape cross section. He explains the design of the casting of the cell 4 with the execution of the modified planar.
  • the movable plates 5 have a plane-parallel portion and a trapezoidal portion at an angle ⁇ , which is the casting taper in the formation of the J-shaped and the F-shaped gas spaces of the wave-like part of the cell. 4 (see in Fig. 1) ensures.
  • the plane-parallel portion which moves to the stationary plates 6 moving plates 5, is required after casting during the casting removal.
  • the immovable plates 7 ensure retention of the casting during removal of the movable plates 5 and plate 8 upon removal of the casting from the mold during its disassembly.
  • the group of the present invention makes the production of modified planar cells with (optionally supporting) solid electrolyte, e.g. Based on zirconium dioxide (YSZ, ScSZ), with (optionally supporting) cathode, (optionally supporting) Anode, (optional carrying) current collector, which for the improvement of not only specific characteristics (W / cm 2 , cm / cm 2 , kW / 1, kW / kg), but also consumer characteristics of the electrochemical devices, namely Increase the safety and life extension, ensure.
  • FIG. 10 shows two modified planar cells, which are assembled transversely to a stack.
  • the planar cells may, for example, contain a plurality of pairs of anodes and cathodes analogous to FIG.
  • each channel is laterally closed by side walls, each channel with a larger lower base being accessible through a hole 9 in the side wall.
  • the underside of all channels is closed by the plate of a gas collector 16.
  • the top of the channels with larger upper base can optionally remain open to allow direct air access to these channels.
  • channels of gas collectors are connected to the side surfaces, wherein holes 20 of the gas collector communicate with the holes 9 of the side walls.
  • the two modified planar cells are connected via contacts on the side walls 5.2 of the wave-like plate.
  • the gas collector for the supply and discharge of the reagents are interconnected.
  • FIG. 1 shows a modification of the stack of FIG.
  • the described invention relates to a method of manufacturing a cell assembly and a stack of "Modified Planar Cells" ( Figures 1, 2, 4, 5, 6, 7) for high temperature electrochemical devices, i. H. from visible a few centimeters to a few meters in size, whose power is several watts to several megawatts, and the method of making this arrangement of macro-objects.
  • the process for forming cells and stacks contains the enumeration of procedural processes and mentions specific procedural operating modes.
  • the processes described represent optimized industrial processes.
  • the processes make it possible to carry out new registered constructions not only with the supporting electrolyte, but also with the supporting anode, cathode and the current collector.
  • the produced solid supporting electrolyte may be 100 pm thick and thinner.
  • the power density up to 10.0 W / cm 3 can be achieved in the cell according to the invention, which is 25 times higher than in the prototype according to US 2009/0042076 A1.
  • the invention proposes structural designs and methods for the production of promising, highly effective and highly stressed solid oxide fuel cells, of modified planar cells. Methods are disclosed for making such constructions using commercially applicable film casting and metal casting techniques.
  • the electrochemical part of the cell is formed from one, two or more pairs of unlike electrodes, which are applied offset, so that the electrical series connection of the cells is ensured on the electrolyte film.
  • the films are connected together and the electrodes of the neighboring cells are connected (series electrical connection of the cells to a stack).
  • a wave-like plate is formed with channels which in cross section represent an isosceles trapezium without a larger lower base, and channels which are in the form of inverted isosceles height-like trapezoids without the larger upper base, and where the angle ⁇ at the smaller base is preferably 0.1 - 89.9 °.
  • the wave-like plate is connected to two opposing walls - the front wall and the rear wall - these walls are arranged normal to the waves and thus equal in height, from the film of Elektroisolier- construction material under heating to 90-110 ° C and at the pressure of 0 , 2 - 0.4 GPa are made. Thereafter, holes are formed for the introduction and removal of the reagents, followed by co-firing at 900-1200 ° C.
  • the present invention can be used for the production of not only electrochemical products in solid oxide fuel cells but also in other high temperature electrochemical devices (RECHES) with solid electrolyte such.
  • RECHES high temperature electrochemical devices
  • As high temperature electrolytic cells, conversion reactors, oxygen pumps and similar devices may be used.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine modifizierte Planarzelle mit einem Festoxid- Festelektrolyt, einer gasdiffusen Anode, einer Kathode, einer Metall- oder Oxid- Strombahn und einer Strom-Gas-Zuführung. Der tragende Festelektrolyt der Zelle ist in Form einer wellenartigen Platte ausgebildet, die aus Wellen besteht. Die Wellen der Platte stellen im Querschnitt ein gleichschenkliges höhengleiches Trapez ohne größere untere Basis mit Löchern dar. Die Löcher sind an einer Seite im oberen Teil jeder Welle für die Zuführung von einem der Reagenzien, z. B. Brennstoff im Falle einer Brennstoffzelle, ausgebildet. Die Wellen untereinander sind an ihrer Basis ver- bunden, um Gasraum-Kanäle der Zelle zu bilden. Die Gasraum-Kanäle sind in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne eine größere obere Basis ausgebildet und der Winkel alpha an ihrer kleineren Basis beträgt 0,1 bis 89,9°. Die wellenartige Platte ist mit zwei gegenüberliegenden Wänden, einer Vorder- und einer Hinterwand, verbunden. Diese ist senkrecht zu den Wellen der Platte angeordnet und da- mit höhengleich und mit Löchern versehen. Die Löcher einer Wand dienen für die Einführung eines zweiten Reagenz, z. B. Luft im Falle einer Brennstoffzelle, in jeden Kanal der Elektrodenumgebung in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere Basis und die Löcher der anderen gegenüberliegenden Wand für die Abführung der hypoxischen Mischung. Die wellenartige Platte des tra- genden Festelektrolyts ist an einer Seite der im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis darstellenden Gasraum-Kanäle mit einer Elektrode, z. B. Nickel-Kermet- Anode im Falle der Brennstoffzelle, beschichtet. An der Seite der Gasraum-Kanäle der Elektrodenumgebung, die in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere Basis ausgestaltet sind, ist die Platte mit einer zweiten Gegenelektrode, z. B. Kathode auf der Basis von Strontium- lanthan-Manganit, beschichtet. Die metallene kastenförmige Gaszufuhrleitung sorgt mit einer Reihe von Löchern für die Zuführung der Reagenzien und die Abführung der Reaktionsprodukte. Dabei fallen die Breite und die Länge der Gaszufuhrleitung mit denen der Zelle zusammen. Diese Löcher entsprechen den Löchern in den oberen Partien der Wellen der Zelle, die im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne eine größere untere Basis darstellen, und gasdicht mit dem Umfang der Löcher verbunden sind. In der Pianarzelle ist ein gasdichter Raum für das durch ein Rohr zugeführte Reagenz, für seine gleichmäßige Verteilung über die Gasraum-Kanäle und den Austritt der Abgase durch einen ähnlichen Austrittsgassammler ausgebildet. Der Austrittsgassammler ist um 180° zur senkrechten Achse gedreht und gasdicht mit dem keramischen Teil am Umfang verbunden. Die mit Löchern versehenen Flachoberflächen der Gassammler sind mit den Elektroden verbunden. Gleichzeitig werden sie als Stromkollektoren und die Rohre als Stromklemmen der Pianarzelle verwendet.

Description

- 1 -
Modifizierte Planarzelle und Stapel von elektrochemischen Einrichtungen auf ihrer Basis sowie Verfahren zur Herstellung der Planarzelle und des Stapels und eine Form für die Fertigung der Planarzelle
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Hochtemperatureinrichtungen (ECHTE) mit einem Festelektrolyt, wie z. B. ein elektrochemischer Energieerzeuger (Brennstoffzellen), elektrolytische Zellen, Konversionsreaktoren, Pumpen und ähnliche Einrichtungen. Die Erfindung betrifft insbesondere den Aufbau der Planar- zellen für solche Einrichtungen, die Ausführung der Stapel einer beliebigen ECHTE mit Gassammlern für wenigstens eines der Reagenzien, z. B. Brennstoff, und ein Verfahren zur Herstellung der Planarzelle und des Stapels mit einem solchen Aufbau. HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aus dem Stand der Technik sind zusammengesetzte ECHTE bekannt: Es sind Festoxid-Brennstoffzellen zur direkten Umwandlung der chemischen Energie des Brennstoffs in elektrische Energie. Eine solche elektrochemische Umwandlung weist einen höheren elektrischen Nutzeffekt (Wirkungsgrad) als eine konventionelle Energieerzeugung auf, z. B. in Wärmekraftwerken. Außerdem ist die elektrochemische Umwandlung umweltfreundlicher, denn dabei werden die Treibhausgasemissionen verringert. Die einzige Festoxid-Brennstoffzelle besteht aus drei unverzichtbaren Hauptteilen: einem Festelektrolyt, einer Anode und einer Kathode sowie einem sog. Inter- connect-Element. Der Festelektrolyt wird meistens auf der Basis von sauerstoffionen- leitendem Zirkoniumdioxid ausgebildet. Die Anode und die Kathode sind elektronen- leitfähig. Das Interconnect-Element besteht in der Regel aus Flachplatten zur Verbindung der Zellen zu einem Stapel. Der konventionelle Brennstoff in den Festoxid- Brennstoffzellen ist ein Synthesegas. Es wird aus beliebigen fossilen oder syntheti- sierten Kohlenwasserstoffen, Biogas und Abfällen der Lebensaktivitäten erzeugt. Es besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenoxid. Beim Einsatz von Synthesegas als Brennstoff an der Anode und Oxydans in Form von Sauerstoff aus der Luft der Atmosphäre an der Kathode laufen folgende Reaktionen ab:
an der Anode: 2H2+2O2' = 2H2O+4e" und 2CO+2O2* = 2CO2+4e";
an der Kathode: O2+4e" = 2O2";
Die Gesamtreaktionen in der Zelle können wie folgt aufgezeichnet werden: 2H2+O2 = 2H2O + Wärme und
2CO+2O2 = 2CO2 + Wärme. Bei konventionellen Festoxid-Brennstoffzellen ist Keramik aus Zirkoniumdioxid als Festelektrolyt angewendet. Das Zirkoniumdioxid ist dabei durch Yttriumoxid (YSZ) stabilisiert. Als Anode dient Nickel-Kermet Ni-YSZ, als Kathode Strontiumlanthan- Manganit (LSM). Die Spannung einer Einzelzelle liegt bei ca. einem Volt. Um die Spannung zu erhöhen, werden die Zellen zu einem Stapel in Serienschaltung zu- sammengefügt. Um die Zellen im Stapel stromleitfähig zusammenzufügen, sind normalerweise elektronenleitfähige Strombahnen (Interconnect-Elemente) angewendet: Es können auch keramische Strombahnen, z. B. aus Strontiumlanthan-Chromit, oder metallene Strombahnen, z. B. aus Hochchromstählen wie Crofer 22 APU, verwendet werden.
Da alle Komponenten einen festen Zustand aufweisen, können die Festoxid- Brennstoffzellen verschiedene Geometrien aufweisen.
Aus dem Stand der Technik sind vergleichbare Zellen bekannt, die in elektrochemi- sehen Einrichtungen, z. B. Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit einem tragenden Festoxidelektrolyt auf der Basis von Zirkoniumdioxid eingesetzt sind. Diese Zellen haben einen planaren, rohrförmigen oder Blockaufbau des Festelektrolyts mit einer aufgetragenen Gasdiffusionsanode und -kathode sowie mit einer tragenden Kathode, einer Anode und einem Stromkollektor. Die Blockkonstruktionen vereinigen die posi- tiven Eigenschaften der rohrförmigen und planaren Bauweisen. Sie sind zum ersten Mal in der UdSSR Ende der 50er Jahre des vorigen Jahrhunderts erschienen (Urheberschein der UdSSR Nr. 121 169, Prioritätsdatum 18. 1 .1957).
Der bekannte Stand der Technik für die Einzelzellen und die Stapel ist umfassend genug in den Fachmonographien beschrieben („Hochtemperatur-Wasserelektrolyse" M.V. Perfil'iev, A.K. Demin, B.L Kuzin, A.S. Lipilin, ISBN 5-02-00 399-4, M.: NAUKA, 1988, 232 S.;„Science and Technology of Ceramic Fuel Cells" N.Q. Minh, T. Takahashi, Elsevier, 1995, p. 366.). In Fig. 9.27. S. 268, Kapitel 9 des letzteren Schriftstücks ist der Aufbau einer Einzelzelle beschrieben, welche sowohl in der Form einer Flachplatte als auch in der Form einer gewellten Platte ausgebildet sein kann. Im ersten Fall ist eine gewellte Strombahn und im zweiten Fall eine Strombahn in Form einer Flachplatte verwendet. Nach Auffassung der Erfinder müssen als unverzichtbare Bestandteile der Konstruktion der Zelle und des Stapels Baugruppen für die Zuführung und Verteilung der zugeführten Reagenzien und für die Abführung der Reaktionsprodukte (Gaszufuhrleitungen) und Stromeinführungen vorgesehen sein. Ohne diese Bestandteile ist die Funktion der Zellen, der Stapel und der ECHTE nicht möglich. Es ist auch nicht möglich, die spezifischen technischen Kenndaten wie kW/1, kW/kg einzuschätzen. Diese Kenndaten sind jedoch für den Vergleich der Ausführungen und die Festlegung ihrer Anwendungsgebiete erforderlich.
Weiterhin ist aus der DE 10 2010 001 988 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines tubulären Elektrolytkörpers bekannt, bei dem Elektrolytmasse in den Hohlraum zwischen einem Gusskern und einer Form eingespritzt wird. Das Verfahren ist für die Ausbildung der tubulären Festoxid-Brennstoffzellen und genauer Halbzellen vorge- sehen, d. h. einer Dünnschichtzelle und eventueller Stromkollektor - Interconnect- Elemente auf dem dickeren tragenden Festelektrolyt. Da gemäß Fig. 2 die Elektrolytmasse (10a) den Hohlraum (12) der Metallform füllt, wobei der Hohlraum durch einen Eisenkern (13) und ein teilbares Spritzgusswerkzeug (1 1 a, 1 1 b) entlang der auszubildenden Zelle gebildet wird, kann die Elektrolytdicke nicht unter 100 pm lie- gen. Die Form wird durch Auseinanderziehen zweier Formteile geöffnet, und der Kern wird unter Auflösung eines Trägerkörpers gezogen. Spezifische Parameter für das Einspritzen der Elektrolytmasse sowie die Dicke des entstehenden Elektrolytkörpers werden nicht genannt. Aus der WO 00/69008 A1 ist eine Brennstoffzelle bekannt, die eine Mehrschichtstruktur einer Halbzelle aufweist, welche aus einer Festelektrolytschicht mit bevorzugter Stärke von 15 bis 25 pm und einer tragenden Elektrode, z.B. Ni/YSZ Anode mit bevorzugter Stärke unter 500 pm und am besten 300 pm besteht, ohne dass sie getrennt hergestellt werden. Ferner sollte dazwischen noch eine Schicht auf Basis von Mn-Oxid insbesondere mit bevorzugtem Metallanteil von 0, 1 bis 5 % (atom.) vorhanden sein. Diese Zwischenschicht ist erforderlich, um die martensitischen Phasenumwandlungen des tetragonalen Festelektrolyts auf ZrO2 Basis mit Y2O3 Gehalt von unter 5 % (Mol) in eine monokline Struktur während des Strukturherstellungsvorgangs mit Erwärmung und Kühlung bis zu 1400 °C zu vermeiden, denn solche Um- Wandlungen werden von räumlichen Änderungen und Zerstörungen begleitet. Zur Ausbildung der Halbzellenstruktur werden die Feinschichten (Filme) nach dem tape casting Verfahren hergestellt, und die Zwischenschicht (auf Basis von Mn Oxid) wird nach dem Luftzerstäubungsverfahren oder nach einem anderen wirtschaftlich effizienten regelbaren Verfahren gebildet. Es wird weder das Einspritzen in eine Guss- form noch das anschließende Verformen der tragenden Struktur offenbart. Weiterhin werden keine konkreten Verfahrensschritte und verfahrenstechnische Betriebsarten angegeben. Dabei können diese Strukturen nur unter dem Mikroskop betrachtet werden, und ihr Einfluss auf die elektrochemischen Eigenschaften der Festoxid- Brennstoffzellen kann nur vermutet werden, vorausgesetzt vor allem, dass diese Strukturen bei der Herstellung von Brennstoffzellen reproduzierbar sind.
Die WO 2009/014775 A2 offenbart eine Brennstoffzelle mit einer metallischen Trägerschicht, welche durch Foliengießen, Spritzgießen oder dergleichen aus einer Mischung eines Metallpulvers, eines Binders, und eines Porenbildners hergestellt wird. Nach Verdampfen des Porenbildners wird das Metallpulver zur Herstellung einer festen Schicht gesintert. Dieses Patent schützt die Struktur der Mehrschichtzusammenstellung (Ansprüche 1 bis 27), welche zahlreiche in Festoxid-Brennstoffzellen benutzte Bestandteile und Werkstoffe enthält. Das Patent schützt auch die Verfahren zur Ausbildung dieser Strukturen (Ansprüche 28 bis 61 ). Dabei kann diese Struktur nur unter dem Mikroskop beobachtet werden. Ein Heißspritzen eines Schlickers in eine Gussform wird nicht offenbart.
Der nächstkommende Stand der Technik und Prototyp der Erfindung ist eine Ausführung gemäß der Patentschrift US 2009/0042076 A1 , veröffentlicht am 12.02.2009, Modified Planar Cell (MPC) and Stack based on MPC (Modified Planar Cell MPC) and Stack based on MPC Filed on August 8, 2007 US Patent and Trademark Office Serial No. 11/889062). Die Patentschrift beschreibt eine einzige Zelle von Festoxid-Br ne wellenartige Architektur aufweist, und einen Stapel, der aus besteht. Allerdings nennt das Patent bloß eine eventuell mögl Herstellung von einem keramischen Rohteil aus YSZ Elektrolyi einem Verfahren mit nachfolgendem Auftragen der Elektroden n
Bei der Fertigung von ECHTE und insbesondere von Festoxid-B Festelektrolyt am häufigsten eine dünne Keramikschicht auf d< (YSZ) oder von Skandium- (ScSZ) stabilisiertem Zirkoniumdioxi ver Festelektrolyt auf der Basis von Zeroxid oder auf der Bas verwendet. Der Hauptvorteil eines planaren Aufbaus gegenüb< Ausführung ist eine hohe Packungsdichte der Zellen in dem S fläche-Umfang-Verhältnis (S/V - (cm2/cm3) oder 1/cm). Eine d elektrochemischen Zelle (Kathode, Festelektrolyt, Anode) sorgt Festigkeit der Zelle. In diesem Fall können die Zellen mit gleicht tragenden Elektrolyt ausgebildet sein, wenn die mechanische elektrolyts vorbestimmt ist und dessen Stärke eine (erfo erforderliche Stärke überschreitet. Der Festelektrolyt hat dabei (meistens aus Nickel-Kermet - Ni+YSZ) oder eine Kathode (a Manganit - LSM), dessen Stärke dementsprechend größer ist.
Die zweckmäßigste und wirtschaftlich vorteilhafteste Lösung fi
Die bekanntesten Verfahren zur Ausbildung von flachen und rohrförmigen Zellen umfassen Schlickergießen (aus wässriger Suspension des Pulverwerkstoffs) in Gipsformen, Dünnfilmgießen aus Schlickern auf der Basis von Butyral (Tape Casting (Stand der Technik)) und Heißspritzen der Zellen aus Schlickern auf der Basis von Paraffin (heiße Paraffinsuspension des Pulverwerkstoffs) in eine kalte Stahlform (Prototyp). Im letzteren Fall ist der keramische Pressling der Zellenkonstruktion aus Pulver, z. B. YSZ, nach der Methode des Keramikspritzgusses (ceramic injection molding - CIM) in einer Metallform hergestellt und dann bis zum dichten Zustand verbacken (http://www.solidcell.com). Die Mängel des Stands der Technik und des Prototyps der Planarausführungen umfassen eine komplizierte gasdichte Verbindung der Gassammler am Ein- und Austritt der Reagenzien in die Zelle und in den Stapel sowie eine ausreichend lange Naht der gasdichten Verbindung der Zellen im Verhältnis zur Arbeitsfläche (US - cm/cm2 oder 1/cm). Da solche Ausführungen eine gasdichte Verbindung von ungleichartigen Werkstoffen voraussetzen, ist nicht nur die Fertigung solcher Zellen erschwert, sondern auch die Zuverlässigkeit der ECHTE insgesamt verringert und die Lebensdauer verkürzt.
Die Mängel des Verfahrens bestehen darin, dass es nicht möglich ist, Zellen mit ei- nem minimalen reproduzierbaren Innenwiderstand (reproduzierbarer Stärke der Zellenwand und mit einer Wandstärke von unter 0,4 - 0,5 mm) herzustellen. Grundsätzlich ermöglicht der Prototyp des Verfahrens anhand der bekannten in der Elektronikindustrie eingesetzten Anlagen, Erzeugnisse mit dünneren als 0,1 - 0,2 mm Wänden (keramische Gusskondensatoren) herzustellen. Jedoch entsprechen ihre Geometrie und Abmessungen von einigen mm nicht den Anforderungen an elektrochemische Hochtemperaturzellen mit einer Mindestarbeitsfläche von 75 - 100 cm2. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Mängel der Zellen, des Stapels, des Fertigungsverfahrens der vorgeschlagenen Zellenkonstruktion und der Form zu beseitigen.
Eine modifizierte planare Ausführung der Zelle und des Stapels mit Gassammlem soll die Hauptvorteile der planaren und der rohrförmigen Ausführungen vereinigen und eine höhere Packungsdichte gegenüber der planaren Ausführung sowie eine baumäßige gasdichte Aufteilung der Anoden- und Kathodengasräume wie bei einer rohrförmigen Ausführung aufweisen.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung eine modifizierte Planarzelle mit (mindestens) einem Festelektrolyt, (mindestens) einer Anode, und (mindestens) einer Kathode, wobei der Festelektrolyt, die Anode und die Kathode eine wellenartige Platte bilden. Diese wellenartige Platte besteht aus Wellen, die Kanäle in Form von gleichschenkligen höhengleichen Trapezen oder ohne größere untere Basis für eine Reagenz und Kanäle in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere Basis für ein anderes Reagenz bilden.
Soweit in der vorliegenden Anmeldung die Bezeichnungen "oben", "unten", "senkrecht" etc. verwendet werden, dienen diese nur zur Erläuterung des jeweiligen Gegenstandes anhand einer speziellen räumlichen Anordnung, wie sie beispielsweise auch in den Figuren dargestellt ist. In dieser Referenzanordnung ist die Ebene der o. g. Platte in der Regel horizontal ausgerichtet. Eine bestimmte räumliche Anordnung der erfindungsgemäßen Gegenstände im Allgemeinen soll dadurch nicht vorgegeben oder ausgeschlossen werden. Angaben wie "senkrecht" beziehen sich im Allgemeinen auf die durch die o. g. Platte definierte Ebene. Durch die Ausbildung der Kanäle für Reagenzien in Form von Trapezen wird eine erleichterte Herstellbarkeit der beschriebenen Planarzelle erreicht. Dies führt wiederum zu verbesserten funktionellen Eigenschaften aufgrund einer gleichmäßigeren Schichtdicke der beteiligten Komponenten und einer verbesserten mechanischen Festigkeit.
Der Winkel der Schenkel der Trapeze der Kanäle gegenüber der jeweiligen Basis kann bei den erfindungsgemäßen Planarzellen typischerweise im Bereich von ca. 0,1 ° bis ca. 89,9° liegen. Insbesondere kann der Winkel mehr als ca. 0,5°, mehr als ca. 1 ,0°, mehr als ca. 2,0° oder mehr als ca. 5,0° betragen.
Die Kanten der wellenartigen Platte sind vorzugsweise abgerundet ausgebildet, um scharfe Knickwinkel mit entsprechenden Belastungen für das Material zu vermeiden.
Der Festelektrolyt kann insbesondere ein Festoxid sein oder enthalten.
Die modifizierte Planarzelle weist weiterhin vorzugsweise eine Strombahn auf, um Teile der Planarzelle stromleitfähig zusammenzufügen. Dabei kann es sich insbesondere um eine Metall- oder Oxid-Strombahn handeln. Die modifizierte Planarzelle weist ferner vorzugsweise eine Strom-Gas-Zuführung auf, über welche benötigte Reaktionsgase zugeführt bzw. Reaktionsprodukte abgeführt werden können und über welche der erzeugte Strom abgenommen werden kann. Die Strom-Gas-Zuführung ist vorzugsweise elektronenleitfähig. Zur Erzielung einer ausreichenden Stabilität wird die wellenartige Platte der Planarzelle im Allgemeinen tragend ausgebildet. Die Tragfähigkeit kann dabei durch mehrere Komponenten (Festelektrolyt, Anode, Kathode, und/oder Strombahn) gemeinsam erreicht werden. Vorzugsweise ist mindestens eine dieser Komponenten selbstständig tragend ausgebildet (d. h. mit einer ausreichend hohen Schichtdicke ausgestat- tet), während die übrigen Komponenten dann vorzugsweise nicht selbstständig tragend sind.
Die Kanäle der wellenartigen Platte sind vorzugsweise durch Seitenwände und/oder durch Deckelflächen bzw. Bodenflächen geschlossen. Zur Zufuhr bzw. Ableitung von Reagenzien können dabei in den Seitenwänden, den Deckelflächen, den Bodenflächen und/oder in den Basen der Trapeze der Kanäle Löcher vorhanden sein, welche mit entsprechenden Löchern von Gassammlern oder von anderen modifizierten Pla- narzellen (in einem Stapel von Planarzellen) kommunizieren. Die Seitenwände, Deckelflächen und/oder Bodenflächen sind vorzugsweise Teile von anderen Kompo- nenten wie beispielsweise von Gassammlern oder Strombahnen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können Kanäle der modifizierten Planarzelle auch an der größeren Basis des Trapezes nach oben oder unten offen sein, um direkt mit einem Reaktionsgas (beispielsweise Luft) in Kontakt treten zu können (vgl. Figuren 10, 11).
Durch die Kanäle der Planarzelle wird beim Betrieb Brennstoff geleitet. Um diesen zuzuführen bzw. um Brennstoffreste abzuführen, kann ein Eintrittsgassammler bzw. ein Austrittsgassammler vorgesehen sein. Vorzugsweise ist dabei der Austrittsgas- sammler um 180° zur Achse des Eintrittsgassammlers gedreht. Das bedeutet, dass der Austrittsgassammler Gase von einem Ende der Kanäle aufnimmt, das dem Ende gegenüber liegt, an welchem der Eintrittsgassammler Brennstoffgas in die Kanäle einspeist. Bis auf ihre gedrehte bzw. spiegelbildliche Anordnung können der Eintrittsgassammler und der Austrittsgassammler vorzugsweise baugleich ausgebildet sein.
Die in der wellenartigen Platte der Planarzelle ausgebildeten Kanäle müssen in der Regel zu ihrer Ober- bzw. Unterseite hin geschlossen werden. Dies kann beispielsweise durch die flache Oberfläche eines Gassammlers geschehen, welcher auf den Kanälen bzw. unter den Kanälen angeordnet ist. Weiterhin kann eine solche flache Oberfläche des Gassammlers vorzugsweise mit den Elektroden der Platte verbunden sein, um gleichzeitig als Stromkollektor und Stromklemme der Planarzelle zu wirken.
Typischerweise sind die Anode und/oder die Kathode der modifizierten Planarzelle gasdiffus.
Die Anode und die Kathode der modifizierten Planarzelle sind typischerweise auf verschiedenen Seiten bzw. Oberflächen der wellenartigen Platte angeordnet, wobei sie zwischen sich den Festelektrolyt einschließen und gemeinsam eine elektrochemische Zelle bilden.
Die wellenartige Platte der modifizierten Planarzelle kann genau eine Anode und/oder genau eine Kathode aufweisen.
Bei einer speziellen Ausführungsform der Planarzelle sind jedoch mehrere Paare von ungleichnamigen Elektroden (d. h. Anode und Kathode) vorgesehen, wobei ein Paar jeweils entlang mindestens eines Kanals der wellenartigen Platte angeordnet ist (A- node und Kathode auf verschiedenen Oberflächen der Kanalwand). Durch eine geeignete elektrische Serienschaltung der so gebildeten Zellen können dann in einem planaren Aufbau höhere Spannungen erzeugt werden. Vorzugsweise sind die Elekt- roden etwas versetzt auf den verschiedenen Seiten des Festelektrolyts angeordnet, so dass sie durch einen Interconnect (Fig. 7, Ziffer 22) durch den Festelektrolyten hindurch verbunden werden können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens zwei Kathoden und wenigs- tens zwei Anoden vorhanden, die elektrochemische Zellen darstellen, welche strommäßig seriell verbunden sind. Die Verbindung erfolgt dabei vorzugsweise über eine Strombahn (Interconnect), die punktuell oder auf einer vollen Breite/Länge eine Anode mit der Kathode einer nachfolgenden Zelle verbindet. Mehrere modifizierte Planarzellen können optional zu einem Stapel zusammengebaut werden. Der Zusammenbau kann dabei in alle Richtungen erfolgen, d. h. insbesondere in Querrichtung (unter Erhöhung der Anzahl der Kanäle, vgl. Figur 10), in Längsrichtung (unter Verlängerung der Kanäle, vgl. Figur 11), und/oder in der Höhe (senkrecht zur Ebene der wellenartigen Platte, vgl. Figur 6). In diesen Fällen ist je- weils für eine geeignete Anpassung der Gassammler und der Strombahnen zu sorgen.
Die Erfindung schlägt einen neuen konstruktiven Aufbau der einzelnen Festoxidzelle vor und verwendet den Hauptgrundsatz einer planaren Ausführung der Festoxid- Brennstoffzellen und zwar die Reihenfolge der Stapelbestandteile Anode, Elektrolyt, Kathode sowie Strombahn und repräsentiert eine neue Modifikation des Zellenauf- baus. Somit stellt die vorliegende Ausführung eine modifizierte planare Festoxid- Brennstoffzelle dar. Dabei sind die mechanischen und die elektrischen Eigenschaften der Zelle verbessert. Das liegt daran, dass die rechteckige Struktur der Gaskanäle mit den sich an den Ecken konzentrierenden mechanischen Spannungen und mit der Verdünnung der Elektroden an der rechteckigen Kante ersetzt ist. Diese Verdünnung führt zu einer Erhöhung des Innenwiderstands der Zelle und des Stapels. Dabei bedingt die große Anzahl der Wände des Festelektrolyts auch eine Erhöhung der Packungsdichte und eine Verbesserung der spezifischen Kenndaten der Zelle. Um den Zwischenraumdruck und die Geschwindigkeit der Strömungen, z. B. in den Festoxid- Brennstoffzellen mit Brennstoff und Luft auszugleichen, muss der Luftkanalquerschnitt mehr als zweimal größer sein. Ebenso unterscheiden sich auch die Querschnitte der Öffnungen für die Einführung der Reagenzien und die Abführung der Reaktionsprodukte.
In diesem Fall stellt die vorgeschlagene Ausführung eine gleichmäßige Verteilung der Gasströmungen sowohl zwischen den Zellen als auch entlang der Elektrodenoberfläche jeder Zelle sicher. Die Erfinder schlagen zudem ein Verfahren zur Ausbildung der angemeldeten Konstruktion vor. Die vorgeschlagene Konstruktion besteht aus wenigstens einem Dreischichtenfilm (Anode - Elektrolyt - Kathode) für einen wellenartigen elektrochemischen Abschnitt der Zelle und für die damit verbundenen Vorder- und Hinterwände. Die Vorder- und Hinterwände bestehen aus einem Elektrolytfilm oder aus einem Konstruktionsmaterial für flache gelochte Vorder- und Hinterwände, wodurch ein oder beide Reagenzien einführbar sind. Dabei kann der Gassammler entweder an der oberen und unteren Seite der Zelle (im Falle der Verbindung der Zellen im Stapel entlang ihrer senkrechten Achse) oder an ihrer Vorder- und Hinterwand für ein oder beide Reagenzien angeordnet sein. Eine solche Ausgestaltung der Zelle ermöglicht nicht nur eine synchrone Zuführung von Oxydans sondern auch gegenüber dem Prototyp eine synchrone Zuführung von Brennstoff in den Stapel. Dies verbessert die Gleichmäßigkeit der Reagenzienversorgung sowie die Gleichmäßigkeit des Zwischenraumdrucks. Dadurch braucht die Anzahl von Zellen im Stapel nicht mehr begrenzt zu werden. Dabei führt das von den Erfindern gewählte Verfahren zur Ausbil- dung der Dünnschichtzelle mit funktionellen Schichtdicken auch zur Minderung des Innenwiderstands der Zelle, zur Zunahme ihrer Packungsdichte und zur Verbesserung der spezifischen Kenndaten der Zelle und ihres Energienutzeffekts.
Eine andere Ausgestaltung des Stapels setzt voraus, dass der Festelektrolyt eine Mehrkanalausführung der Zelle aufweist. Die ungleichnamigen Elektroden der Einzelzellen sind auf jede Wand der Kanäle oder auf die Kanalgruppe aufgetragen und strommäßig in Serie geschaltet. Eine solche technische Lösung ermöglicht,
bei gleichem Materialaufwand einen Stapel mit höherer Spannung und geringeren elektrischen Strömen herzustellen,
- die Stapel in Stacks entlang der horizontalen Achse zu verbinden, wobei die konventionellen flachen Interconnect-Elemente überflüssig sind und ausgelassen werden können,
die Fläche der Einzelzellen zu vergrößern, indem die Kanallänge vergrößert wird. Dadurch wird der elektrische Nutzeffekt aufrechterhalten. Eine solche Ausgestaltung der Stapelkonstruktion lässt auch eine zusätzliche Steigerung der erzeugten Spannung zu, indem die Menge der an einer Kanalwand angeordneten Zellen (mehr als eine) vergrößert wird. Die Erfinder schlagen ein Verfahren zur Ausbildung der angemeldeten Konstruktion mittels Heißspritzens in eine Stahlform vor. Dabei sind höhere Geschwindigkeiten für das Schlickergießen benutzt. Die verwendete Form stellt die Fertigung von modifizierten Planarzellen mit beweglichen trapezförmigen Platten im Gießbereich sicher. Eine andere Ausgestaltung des Verfahrens zur Ausbildung der Dünnfilm-ECHTE mit funktionellen Dicken aller Komponenten ist das Foliengießen (Tape Casting).
Es wird darauf hingewiesen, dass alle Merkmale von Ausführungsformen der Erfindung, welche in Ansprüchen oder in Ausführungsbeispielen in Kombination mit ande- ren Merkmalen erwähnt werden, auch eigenständige Bedeutung haben und daher unabhängig von den anderen Merkmalen, mit denen sie gemeinsam erwähnt werden, zum Gegenstand eines Anspruchs gemacht werden können.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Eine modifizierte Planarzelle ist in Fig. 1 (erste Ausgestaltung) dargestellt. Die modi- fizierte Planarzelle hat einen tragenden Festelektrolyt 1 und Elektroden, eine Kathode 2 und eine Anode 3. Der Arbeitsteil der Planarzelle ist in Form einer wellenartigen Platte 4 mit wenigstens drei Schichten ausgebildet. Die Dreischichten-platte 4 besteht aus ungeradzahligen Jl-förmigen Wellen 5 gleicher Höhe. Die Wellen 5 sind miteinander im unteren Teil mittels flacher Verbinder 6 verbunden. Die flachen Verb- inder 6 bilden If-förmige Gasraum-Kanäle zwischen den Wellen 5. Jede Jl-förmige Welle 5 stellt im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne untere Basis dar und wird mit den angrenzenden J förmigen Wellen 5 mittels flacher Verbinder 6 verbunden. Dabei entstehen If-förmige Gasräume in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne eine größere Basis, die oben im Querschnitt offen ist.
Für die Ausbildung der Gaskanäle, des Systems der gleichmäßigen Gasversorgung sowie für die Abnahme des erzeugten Stroms, z. B. beim Betrieb der ECHTE als Brennstoffzelle, ist der aktive elektrochemische Teil der Zelle mit einem Ein- und einem Austrittsgassammler (Auslassgassammler) 16 und dementsprechend mit Roh- ren 17 verbunden. Die Rohre 17 dienen zur Brennstoffversorgung und zur Abführung der Reaktionsprodukte. Wenn die Rohre 17 aus Metall gefertigt sind, dienen sie gleichzeitig auch als Stromabnehmer (Klemmen) der Planarzelle. Die Rohre 17 sind in den kastenförmigen Gassammlern 16 angeordnet und haben eine Öffnung zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung der Reagens-Gasströmungen in der Planarzelle über Löcher 9. Diese Rohre 17 sind mechanisch und elektrisch mit einer Gasverteilungsplatte mit Löchern 20 und mit einer Gassammlerbox verbunden und stellen somit einen wirkungsvollen Stromabgriff des vom Stapel erzeugten elektrischen Stroms an der Außenpartie des Rohres 17 sicher.
Die Fig. 2 zeigt Querschnitte Jl (IT) als Keramik-Schnitte der wellenartigen Platte 4 an den Stellen der Eckenabrundungen zwischen den Trapezschenkeln und den kleineren Basen. Die Abrundungen sind erforderlich, um die Stellen der zerstörungsauslö- senden mechanischen Kerbwirkungen auszuschließen und um an diesen Stellen gleiche Dicken der aufgetragenen Elektroden sicherzustellen. Die Fig. 2 enthält Schnitte A (Fig. 1) von einem JVförmigen Kanal des elektrochemischen Bereichs der Planarzelle in verschiedenen Ausgestaltungen (Ansprüche 6 - 9). Es zeigen:
a - den tragenden Festelektrolyt; b - die tragende Kathode; c - die tragende Anode; d - z. B. den tragenden Anoden-Stromkollektor (Dabei stehen die Bezugszeichen 1 , 2, 3 jeweils für den Festelektrolyt, die Kathode, die Anode und 4 für den Anoden- Stromkollektor). Eine ähnliche Ausführung ist auch mit einem tragenden Kathoden- Stromkollektor möglich. Bei der Ausbildung des elektrochemischen Teils der Dünnschichtzelle mit funktionellen Dicken ist die Planarzelle mechanischen Spannungen wegen des Zwischenraumdifferenzdrucks ausgesetzt. Es handelt sich dabei um Drü- cke im Anoden- und im Kathodenraum. Die Druckdifferenz ist dabei durch die unterschiedlichen passierenden Gasströmungen der Reagenzien bedingt.
Um ein Zwischenraumdruckgefälle auszugleichen, sind die Breiten der Gaskanäle h1 und h2 proportional den Gasströmungen der Reagenzien gefertigt (Fig. 2 A). Der Winkel α zwischen dem Schenkel und der kleineren Trapezbasis kann im Bereich von 0,1 bis 89,9° variieren. Liegt der Winkel unter 0,1° (Gussschräge), so wird die Fertigung dieses Bauteils physisch nicht möglich (siehe Fig. 3 - Prototyp).
Dabei kann der Winkel bis zu 89,9° zunehmen. Bei α gleich 90° verwandelt sich die Zelle mit Jl-förmigen Wellen 5 in eine flache Platte 4 der Planarzelle. Die vordere und die hintere Partie der Planarzelle aus wellenartiger Platte 4 sind durch die flachen Seitenwände 7 aus Festelektrolyt oder Konstruktionskeramik begrenzt. Jede der Seitenwände 7 hat Löcher 8, die in die Räume IT zwischen den Jl-förmigen Wellen 5 in den Festoxid- Brennstoffzellen führen. Sie dienen zur Luftzuführung und zur Abfüh- rung der hypoxischen Mischung. Jede Jl-förmige Welle 5 hat oben ein Loch 9 zur Brennstoffversorgung. Dieses Loch 9 führt in den Innenraum der Jl-förmigen Welle 5. Der mit der Oberfläche der modifizierten Planarzelle in Kontakt stehende Festelektrolyt 1 ist mit einer Schicht der porösen Kathode 2 bedeckt. Unbeschichtet bleiben nur der Bereich 10 an den Seitenflächen und der unteren Fläche entlang des unteren Umfangs der Planarzelle und den Zonen 11 an den Stirnflächen der Jl-förmigen Welle 5, darunter rings um die obigen Löcher 9. Der mit der unteren Fläche der modifizierten Planarzelle in Kontakt stehende Festelektrolyt 1 ist mit einer Schicht der po- rösen Anode 3 bis auf einen Streifen 12 auf dem unteren Teil des Elektrolyts entlang des unteren Innenumfangs bedeckt.
Die Löcher 8 im vorderen Teil der Planarzelle dienen zur Luftversorgung. Die Löcher 8 im hinteren Teil der Planarzelle dienen zur Abführung von Abluft. Die Abluft ist eine hypoxische Mischung O2+N2 (mit einem niedrigen Sauerstoffgehalt). Jeder Luftkanal 13 ist durch den If -förmigen Raum zwischen den Jl-förmigen Wellen 5 und der Strombahn oder der den Kathoderaum einschränkenden flachen Elektroisolierplatte ausgebildet. Die Strombahn liegt am oberen Teil der Planarzelle an. Die Löcher 9 dienen zur Brennstoffversorgung. Jeder Brennstoffkanal 14 wird durch den Innen- räum der Jl-förmigen Welle 5 und die Strombahn oder die den Anodenraum einschränkende flache Elektroisolierplatte ausgebildet. Die Strombahn liegt am unteren Teil der Planarzelle an.
Die fünfte Ausgestaltung (Anspruch 10) der Planarzelle ist in Fig. 4 abgebildet.
In diesem Fall hat die modifizierte Planarzelle mit dem elektrochemischen Teil 15, z. B. mit dem tragenden Festelektrolyt und Elektroden, Kathode und Anode, einen Gasstromkollektor zur verbesserten elektrischen Stromverteilung über den aktiven Teil der Planarzelle mit einer vergrößerten Fläche. Der Gasstromkollektor ist in Form einer flachen elektronenleitfähigen Platte 16 ausgebildet. Ihre Länge und Breite entsprechen denen der elektrochemischen Planarzelle mit dem Gaszufuhrrohr 17. Innerhalb der Platte 16 gibt es eine gemeinsame Öffnung zur Brennstoffversorgung und Löcher 20. Die gemeinsame Öffnung befindet sich entlang einer der Plattenseiten (vorne oder hinten). Die Löcher 20 laufen aus der Oberfläche heraus, um eine Verbindung mit dem aktiven Teil der Planarzelle herzustellen und die Strömungsverteilung über die Eintrittslöcher 9 'jedes Jl-förmigen Kanals der Festoxid- Brennstoffzellen zu sichern. Die Löcher 20 und 9 sind gasdicht miteinander verbunden und bilden mit einem elektrochemischen Teil 15 und dem gasdicht, z. B. mittels Glasabdichtmaterials 21 , am Umfang verbundenen Austrittsgasstromkollektor 16 den Anodenraum der Planarzelle aus. Der Brennstoff tritt über den Eintrittsgasstromkol- lektor 16 ein, verteilt sich gleichmäßig über die Löcher 20 und kommt in den elektrochemischen Abschnitt der Planarzelle. Nach der Durchströmung der Jl-förmigen Kanäle treten die Reaktionsprodukte (Brennstoffreste) durch die Löcher 20 des unteren Gasstromkollektors hinaus. Die Rohre 17 dienen der Zuführung von Brennstoff in die gemeinsame Öffnung des Gasstromkollektors und der Abführung der Reagenzien. Sie können sowohl an den Seitenflächen der Planarzelle als auch an der vorderen und hinteren Oberfläche hinaustreten.
Die sechste Ausgestaltung der Planarzelle ist in Fig. 5 abgebildet.
In diesem Fall hat die modifizierte Planarzelle mit dem elektrochemischen Teil 15, z. B. mit dem tragenden Festelektrolyt 1 und den Elektroden, Kathode 2 und Anode 3, zwei Reihen von Löchern: Eine Reihe, z. B. oben, schließt Löcher 9 in der Vorder- wand und Hinterwand 7 aus Festelektrolyt oder Konstruktionskeramik für die Zuführung von Brennstoff in die Jl-förmigen Kanäle ein. Die andere Reihe, z. B. unten, um- fasst Löcher 8 mit größerem Querschnitt für die Luftzuführung in die If-förmigen Kanäle der Festoxid-Brennstoffzellen und für die Abführung der hypoxischen Mischung aus der Planarzelle. An der hinteren Seitenwand sind eine untere und eine obere Reihe von Löchern eingebracht. Ist der Stapel aus einem folgerichtigen Satz der Pla- narzellen entlang der senkrechten Achse gefertigt, ist es zweckmäßig, diese Konstruktion des elektrochemischen Teils der Planarzelle als Endzellen zu benutzen. Der obere Gasstromkollektor 16 ist aus einem elektronenleitfähigen Material, z. B. aus Hochchromstahl wie Crofer 22 APU, gefertigt. Er ist mit der Planarzelle (Kathode) verbunden und sorgt z. B. für die Brennstoffversorgung. Der untere Gasstromkollektor 16 ist dem oberen ähnlich, ist mit der Anode der Zelle verbunden und stellt z. B. die Abführung der Brennstoffreste sicher. Gemäß allen vorhergehenden Ausgestaltungen haben die Zellen Jl-förmige Brennstoffkanäle mit einem kleineren Querschnitt als die IT -förmigen Luftkanäle der Festoxid-Brennstoffzellen. Ihr Querschnitt ist den Gasströmungen proportional.
Zwecks strommäßiger Serienschaltung der Planarzellen sowie zwecks Erzeugung höherer Spannung können die Planarzellen (Ausgestaltungen) in den Stapel (die erste Ausgestaltung) entlang der senkrechten Achse gesammelt werden. Dabei ist jede nachfolgende Zelle um 180° gedreht, Fig. 6 (die Figur ist als Beispiel für die erste Ausgestaltung der Planarzelle abgebildet).
Der Stapel besteht aus mehreren Zellen 15 (als Beispiel sind nur zwei Zellen abgebildet). Er hat Eintritts- und Austrittsgassammler 16 mit Rohren 17 jeweils für die Brennstoffversorgung und Abführung der Reaktionsprodukte. Die Rohre 17 dienen gleichzeitig auch als Stromabnehmer (Klemmen) des Stapels. Die Rohre 17 innerhalb der kastenförmigen Gassammler 16 haben eine Öffnung zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung der Reagenz-Gasströmungen in der Planarzelle über die Löcher 9. Diese Rohre 17 sind mechanisch und elektrisch mit einer Gasvertei- lungsplatte mit Löchern 20 und mit einer Gassammlerbox 16 verbunden. Damit ist die wirksame Stromabnahme des vom Stapel erzeugten elektrischen Stroms an der Außenpartie des Rohrs 17 sichergestellt. Die Gassammlerboxen 16 sind an die Planarzellen angeschlossen. Die Zellen sind mittels einer Platte 18 der Strombahn miteinander verbunden. Die Strombahn ist eine flache Platte 8, deren Länge und Breite der Länge und Breite der Planarzelle selbst gleich ist. Die Platte 18 mit einer Reihe von Löchern 19 ist mit dem oberen Teil der Planarzelle verbunden und zwar so, dass ihre Löcher 19 mit den entsprechenden Löchern 9 in oberer Reihe der Jl-förmigen Wellen 5 der Planarzelle zusammenfallen. Die Löcher 20 für die Brennstoffversor- gung und für die Abführung der Reaktionsprodukte fallen geometrisch ebenfalls mit den Löchern 9 der Planarzellen zusammen.
Die gasdichte Verbindung der Planarzellen, der Strombahnen und der Gassammler im Stapel ist dank einer Zusammenfügung mit Hilfe von Verdichtungsglas an den Umfängen der Löcher 9, 19, 20 an den Verbindungsstellen zwischen der oberen keramischen Kante der Planarzelle und der unteren Kante der oben angeordneten Platte 18 der Strombahn sowie zwischen der oberen keramischen Kante der oberen Planarzelle und dem Eintrittssammler 16 in den Bereichen rings um die oberen Löcher 9 erreicht. Diese Verbindungen stellen eine gasundurchlässige Abdichtung zwischen der Planarzelle und dem unteren Teil der Platte 18 der Strombahn oder zwischen der Planarzelle und dem unteren Teil des Eintrittssammlers 16 her. Um eine genügende Festigkeit an den Verbindungsstellen zwischen der oberen keramischen Kante der Planarzelle an der den Löchern gegenüberliegenden Seite der wellenartigen Platte 4 und der unteren Kante der oberhalb liegenden Platte 18 der Strombahn sowie zwi- sehen der oberen keramischen Kante der oberen Planarzelle an der den Löchern gegenüberliegenden Seite und dem Eintrittssammler 16 zu erreichen, ist die Verbindung ebenfalls unter Einsatz von Verdichtungsglas gemacht. Diese Verbindungen können gasundicht sein. Gasdichte Verbindungen mit Hilfe von Verdichtungsglas 21 werden auch am Umfang der unteren Kante der ersten Planarzelle und der oberen Kante der Strombahnplatte 8 im Randgebiet und zwischen der unteren Kante der zweiten Planarzelle (oder der Endzelle im Stapel) und dem Austrittssammler 16 gemacht. Solche Verbindungen erzeugen eine gasundurchlässige Abdichtung zwischen der ersten Planarzelle und der unten liegenden Platte 18 der Strombahn und zwischen der zweiten Planarzelle und dem Austrittssammler 16. Der Brennstoff tritt in das Rohr 17 - den Stromabnehmer des Eintrittssammlers 16 - ein und fließt dann über eine Reihe von Löchern 20 an der unteren Seite des Eintrittssammlers 16 und über eine Reihe von Löchern 9 an der oberen Seite der Planarzelle in die Anoden- Kanäle der Planarzelle. Die Strömung bewegt sich entlang des Kanals und fließt am Kanalende durch die Reihe von Löchern 19 in der Strombahnplatte 18 und durch die Reihe von Löchern 9 an der oberen Seite der zweiten Planarzelle zur nächsten Planarzelle. Um eine ununterbrochene Brennstoffströmung von der oberen Planarzelle bis zur sich anschließenden unteren Planarzelle über den Brennstoffkanal sicherzustellen, sind die gekoppelten Planarzellen um 180° entlang ihrer senkrechten Achse zueinander gedreht. Das Anoden-Abgas ist aus der letzten Planarzelle des Stapels über die Reihe von Löchern 20 an der oberen Seite des Auslasssammlers 16 und über das Rohr 17 als Stromabnehmer des Austrittssammlers 6 abgeleitet. Die Luftströmung kommt in die Löcher 8 an der Vorderwand der Planarzelle und tritt über die gleichen Löcher 8 an der Gegenseite der Planarzelle heraus. Fig. 6 zeigt die Querschnitte der Gassammler und der Stromkollektoren 16. Jeder Sammler/Kollektor be- steht aus einem Rohr - Stromabnehmer 17 - und einem rechteckigen Gehäuse, dessen Länge und Breite mit der Länge und Breite der Planarzelle zusammenfällt. Das Rohr 17 ist in eine Gehäusewand eingebaut und sorgt somit für die Gasströmung an die Gegenwand des Gehäuses. Die Gegenwand des Gehäuses hat Löcher 20, welche der Reihe von Löchern an der oberen Seite der Planarzelle entsprechen. Der obere Gassammler 6 dient der Zuführung des Brennstoffs zum Stapel und der untere der Abführung von Anoden-Abgas aus dem Stapel. Der Sammler ist aus einem Material gefertigt, welches sich mit den Materialien des Festelektrolyts und der Strombahn gut verträgt. Ein Stapel (der zweiten Ausgestaltung) ist in Fig. 7 dargestellt.
Baumäßig sind der elektrochemische keramische Teil, die Baugruppen für die Brennstoffverteilung, für die Brennstoff- und Oxydansversorgung und für die Abführung der Reagenzien wie bei einer Einzelzelle ausgebildet. Jedoch hat die wellenar- tige Platte 4 aus Festelektrolyt (siehe Prototyp Fig. 3 und Fig. 1 , 4, 5) nicht zwei E- lektroden - eine Elektrode als Kathode oben, eine zweite Elektrode als Anode unten - sondern einige Paare von Elektroden. Somit kann ein keramisches Rohteil ein E- lement einer Festoxid-Brennstoffzelle darstellen, welches aus fünf fl-förmigen Brennstoffkanälen und vier ΙΓ-förmigen Luftkanälen besteht. Oder das keramische Rohteil kann einen Stapel aus zwei Zellen darstellen, wenn die Anode der linken Zelle (2,5 Π-förmige Kanäle) mit der Kathode der rechten Zelle (2,5 /I-förmige Kanäle) mit dem 3. Jl-förmigen Brennstoffkanal elektrisch verbunden ist. Der Stapel ist mit fünf Zellen ausgebildet, wenn jeder Jl-förmige Brennstoffkanal eine Zelle ist, und ihre folgerichtige Verbindung der Anode der vorhergehenden Zelle mit der Kathode der nachfolgenden Zelle unten an jedem If-förmigen Luftkanal ausgeführt ist. Wenn jede Kanalwand eine elektrochemische Zelle darstellt, so wird ein 10-Zellen-Stapel ausgebildet. Die folgerichtige Verbindung der Zellen erfolgt sowohl unten an jedem If- förmigen Luftkanal als auch oben an jedem Jl-förmigen Brennstoffkanal (siehe Fig. 7). Sollte jede Wand zwei, drei und mehr gekoppelte Zellen haben, so wird der Sta- pel aus einer entsprechenden Menge von Planarzellen ausgebildet sein. Dies ermöglicht, ohne Nachteil für den elektrischen Nutzeffekt den Stapel sowohl in der Höhe als auch in der Breite (Anzahl der Kanäle) und in der Länge zu vergrößern und die Leistung zu steigern, indem die Spannung erhöht und der Strom herabgesetzt werden. Das vermindert die Widerstandsverluste, den Materialaufwand und die Gewichtswer- te. Die elektrische Verbindung solcher Stapel erfolgt entweder waagerecht in der Breite (indem die Anzahl der Kanäle vergrößert wird) oder wie üblich senkrecht, wie es in der ersten Ausgestaltung und Fig. 6 der Fall ist. Dabei ist das Material der Strombahn (Interconnect-Element) gegen das Elektroisoliermaterial (Konstruktionsmaterial), z. B. aus Oxidkeramik auf der Basis von AI2O3 oder AI2MgO4 (Alumo- magnesia) Spinell ersetzt. Somit verliert die die Zellen strommäßig verbindende Platte 18 ihre Funktion und dient als Trennplatte, die mechanisch die Blockstapel zusammenfügt. Sie teilt die Gasströmungen auf und bildet sie aus. Ebenfalls büßt der Gasstromkollektor die Funktion des Stromkollektors (Elektronenleitung) ein und erfüllt nur noch die Funktion des Gassammlers. Er ist daher aus einem Elektroisolier- material gefertigt.
Eines der annehmbaren Verfahren zur Ausbildung der tragenden Komponente der modifizierten Planarzelle (erste Ausgestaltung) ist nach der Auffassung der Erfinder ein Verfahren des Heißspritzens von Schlicker, z. B. auf der Basis von Paraffin, in eine kalte Stahlform (ceramic injection molding - CIM). Das Schlickerheißspritzen erfolgt bei einer Temperatur, welche die Fließbarkeit des Schlickers sicherstellt. In diesem Fall ist der kritische Faktor für die Ausbildung der Festelektrolytschicht mit ausreichender mechanischer Festigkeit (100 - 150 pm) die Gießdauer beim Gießen der erforderlichen Menge von Schlicker: Der Schlicker darf nicht„einfrieren" (erhär- ten), wenn er durch den engen Spalt zwischen den kalten Stahlplatten passiert, und muss„flüssig" genug bleiben, damit sich Schlickerströmungen über die dünnen Kanäle bei der Formgestaltung der Zelle zusammenschließen. Dabei müssen auch die Bedingungen der Laminarität der Strömungen eingehalten sein. Um eine größere Homogenität des Gussstücks in Bezug auf die Dichte zu erreichen, wird der Gieß- Vorgang mit maximaler Geschwindigkeit durchgeführt. Dies wird durch eine Druck- und Temperaturerhöhung des gegossenen Schlickers sichergestellt.
Um eine modifizierte Planarzelle nach Anspruch 6 mit 150 μηι starkem tragendem Festelektrolyt herzustellen, muss eine Einspritzzeit des erforderlichen YSZ-Pulver- haltigen Satzes des Schlickers unter 0,2 Sekunden betragen, da die Heißschlickerströmung durch enge Kanäle der Form passiert und sich zusammenschließt. Dadurch wird die wellenartige Platte 4 der Planarzelle ausgebildet. Dabei dürfen die Strömungen keine Luft einfangen und keine Turbulenz erzeugen, denn an diesen Stellen des Gussstücks (des Zellenrohteils) wird Porosität und niedrige Dichte ent- stehen. Das ist besonders für das Gießen des Festelektrolyts wichtig, welcher in der Zellenkonstruktion dicht und ohne offene durchgehende Porosität sein muss. Um eine größere Dichte des nichtfertigen Rohteils zu erreichen, wird normalerweise der Anteil von Weichmacher im Schlicker vermindert. Das wird durch die Einführung von Autol, Halowachs, Kolophonium erreicht. Nach der Entnahme des Rohteils aus der Form kann es mechanisch bearbeitet werden, um die endgültige Form zu bekommen (Ausbildung der Löcher, Kanäle, Abrundung der scharfen Kanten der keramischen Kanäle usw.). Die Entnahmemöglichkeit wird durch eine Gießkegeligkeit des Werkstücks sichergestellt und zwar durch den Winkel α zwischen dem Schenkel und der kleineren Trapezbasis der wellenartigen Platte 4 der angemeldeten Planarzelle (s. Fig. 1 ). Nach der Entnahme des Gussstücks wird normalerweise Paraffin verdampft. Danach erfolgt der Hochtemperaturbrand. Während des Hochtemperaturbrands kommt ein Sintern des Rohteils zustande, d. h. eine Erhöhung seiner Dichte und eine Verminderung der Porosität. Bei diesem Vorgang werden gleichzeitig die geometrischen Abmessungen verringert (Schrumpfen). Beim Gießen der Rohteile der modifizierten Planarzelle mit einer tragenden Kathode, Anode oder einem Stromkollektor und bei der Ausbildung der Schicht der tragenden Komponente der Festoxid-Brennstoffzelle mit einer mechanischen Festigkeit von 300 - 500 pm sicherstellenden Stärke wird die erforderliche Menge von Schlicker in die Form innerhalb von 0,2 - 1 ,0 Sek. eingespritzt. Der Schlicker enthält Pulver aus dem Material der tragenden Komponente. Beim Einspritzen werden keine Bedingungen der Laminarität der gegossenen Strömungen verletzt. Da die Rohteile größere Wandstärke haben und nach dem Sintern porös bleiben müssen, werden weniger strikte Anforderungen an das Gießen gestellt. Dabei braucht der Vorgang nicht un- bedingt weniger als 0,2 Sek. lang unter Druckerhöhung durchgeführt zu werden. Jedoch ist auch eine langsamere Vorgangsdauer, länger als eine Sekunde, unzweckmäßig, weil die Schlickerströmungen in der Rohteilkonstruktion nicht zusammenplatzen. Ein weiteres annehmbares Verfahren zur Ausbildung der Konstruktion einer modifizierten Planarzelle (zweite Ausgestaltung) ist das gewerbliche Foliengießverfahren (Tape Casting). Die aus dem thermoplastischen Schlicker (z. B. auf der Basis von Polyvinylbutyral) gegossene 40 - 100 pm starke Festelektrolytfolie (ScSZ, YSZ) wird an einer Seite mit einer funktionellen Schicht einer Kathode und an der anderen Sei- te mit einer funktionellen Schicht einer Anode beschichtet. Die Beschichtung erfolgt nach einem solchen Verfahren, wie wiederholtes Gießen (Tape Cast), Siebdruck (Screen Print), Walzen oder ihre Kombination. Für die Planarzellen gemäß Fig. 1 , 4 und 5 ist ein beliebiges Beschichtungsverfahren geeignet. Für einen Stapel nach Fig. 7 ist Siebdrucktechnik (Screen Print) und Walzen geeignet. Im letzteren Fall werden die ungleichnamigen Elektroden versetzt aufgetragen. Diese Versetzung stellt eine elektrische Hintereinanderschaltung der Planarzellen dar. Die wellenartige Dreischichtenplatte der Planarzelle oder die Platte des Stapels mit Elektroden (die Elektrodenbreite ist z. B. der Höhe des Jl-förmigen Kanals aus Fig. 7 gleich) wird in einer Vorrichtung geformt. Die Platte wird mit der Vorder- und Hinterwand 7 (Fig. 1) aus dem Film von Elektroisolier-Konstruktionsmaterial unter Erhitzung auf 90 - 110° C und Druck von 0,2 - 0,4 GPa verbunden und die Löcher 8 und 9 für das Oxydans und den Brennstoff ausgebildet. Danach folgt der Vorgang eines gemeinsamen Sinterns (Co-Fire). Dann wird der Rohteil zum Stapelzusammenbau (Verbindung der Gassammler und der elektrischen Schaltung) verwendet.
Für die Ausführung des ersten Verfahrens - Heißspritzen des modifizierten Planars nach Anspruch 6 - ist eine Gießform aus Stahl (s. Fig. 8) erforderlich, welche die Konstruktion des Rohteils (des Gussstücks) der Einzelzelle sicherstellt. Die Form besteht aus einem Stahlgehäuse 1 mit Vorrichtungen, welche die Verschiebung der beweglichen formbildenden Platten in Bezug auf die unbeweglichen Platten anhand der Griffe 2 sicherstellen. Die Griffe 3 mit einer Gewindeverbindung sind für die Auseinandernähme der Form und für die Entnahme des Gussstücks vorgesehen.
In Fig. 9 ist der Formquerschnitt abgebildet. Er erklärt die Formgestaltung des Gussstücks der Zelle 4 mit der Ausführung des modifizierten Planars. Die beweglichen Platten 5 weisen einen planparallelen Abschnitt und einen trapezförmigen Abschnitt mit einem Winkel α auf, welcher die Gießkegeligkeit bei der Ausbildung der Jl- förmigen und der F-förmigen Gasräume des wellenartigen Teils der Zelle. 4 (s. in Fig. 1) sicherstellt. Der planparallele Abschnitt, der sich zu den unbeweglichen Platten 6 bewegenden Platten 5, ist nach dem Gießen während der Gussstückentnahme erforderlich. Die unbeweglichen Platten 7 stellen das Festhalten des Gussstücks während der Abführung der beweglichen Platten 5 und der Platte 8 bei der Entnahme des Gussstücks aus der Form während ihrer Zerlegung sicher.
Somit stellt die Gruppe der vorliegenden Erfindungen die Herstellung von modifizierten planaren Zellen mit (optional tragendem) Festelektrolyt, z. B. auf Basis von Zirkoniumdioxid (YSZ, ScSZ), mit (optional tragender) Kathode, (optional tragender) Anode, (optional tragendem) Stromkollektor, dar, welche für die Verbesserung von nicht nur spezifischen Kenndaten (W/cm2, cm/cm2, kW/1, kW/kg), sondern auch von Verbraucherkenndaten der elektrochemischen Einrichtungen, und zwar zur Erhöhung der Sicherheit und Verlängerung der Lebensdauer, sorgen. Figur 10 zeigt zwei modifizierte Planarzellen, welche in Querrichtung zu einem Stapel zusammengesetzt werden. Die Planarzellen können beispielsweise mehrere Paare von Anoden und Kathoden analog zu Figur 7 enthalten. In jeder einzelnen Planarzelle sind die Kanäle durch Seitenwände seitlich abgeschlossen, wobei jeder Kanal mit größerer unterer Basis durch ein Loch 9 in der Seitenwand zugänglich ist. Die Unterseite aller Kanäle wird durch die Platte eines Gassammlers 16 geschlossen. Die Oberseite der Kanäle mit größerer oberer Basis kann optional offen bleiben, um den direkten Luftzutritt zu diesen Kanälen zu ermöglichen. Des Weiteren sind an den Seitenflächen Kanäle von Gassammlern angeschlossen, wobei Löcher 20 der Gassammler mit den Löchern 9 der Seitenwände kommunizieren. Elektrisch sind die beiden modifizierten Planarzellen über Kontakte an den Seitenwänden 5.2 der wellenartigen Platte verbunden. Um die parallele Brennstoffversorgung der Kanäle in den wellenartigen Platten zu erreichen, werden die Gassammler für die Zu- und Abführung der Reagenzien untereinander verbunden. Figur 1 zeigt eine Abwandlung des Stapels von Figur 10, bei dem zwei modifizierte Planarzellen in Längsrichtung zu einem Stapel zusammengesetzt werden. Um die serielle Brennstoffversorgung der Kanäle in den wellenartigen Platten zu erreichen, werden diese miteinander über die Vorder- und Hinterwand der Nachbarzellen verbunden, wobei die strommäßige Nacheinanderschaltung oder Nebenschlussschal- tung mittels Kontakten über die Oberflächen 15.2 erfolgt.
Die in den Figuren 6, 10 und 1 1 dargestellten Möglichkeiten des Stapeins von Planarzellen in der Höhe, in Querrichtung, und in Längsrichtung können auch für mehr als die dargestellten zwei Planarzellen ausgeführt werden. Ferner können sie die Stapelmöglichkeiten beliebig miteinander kombiniert werden.
Die beschriebene Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von einer Zellenanordnung und einem Stapel von "Modifizierten Planarzellen" (Figuren 1 , 2, 4, 5, 6, 7) für elektrochemische Hochtemperatur-Einrichtungen, d. h. von sichtbaren einige Zentimeter bis einige Meter großen Gegenständen, deren Leistung einige Watt bis einige Megawatt beträgt, sowie das Verfahren zur Herstellung von dieser Anordnung aus Makrogegenständen. Das Verfahren zur Ausbildung von Zellen und Stapeln enthält die Aufzählung von verfahrenstechnischen Vorgängen und nennt spezifische verfahrenstechnische Betriebsarten.
Die beschriebenen Verfahren stellen optimierte Industrieverfahren dar. Die Verfahren ermöglichen es, neue angemeldete Konstruktionen nicht nur mit dem tragenden E- lektrolyt, sondern auch mit der tragenden Anode, Kathode und dem Stromkollektor auszuführen. Dabei kann der hergestellte tragende Festelektrolyt 100 pm dick und dünner sein. Dadurch kann die Leistungsdichte bis zu 10,0 W/cm3 in der erfindungsgemäßen Zelle erreicht werden, was 25-fach höher ist als beim Prototyp gemäß der US 2009/0042076 A1. Die Erfindung schlägt bauliche Ausführungen und Verfahren zur Herstellung von aussichtsreichen, hochwirksamen und hochgespannten Festoxid-Brennstoffzellen vor, und zwar von modifizierten Planarzellen. Es werden dabei Verfahren offenbart zur Herstellung solcher Konstruktionen unter Einsatz von gewerblich anwendbaren Filmgießverfahren und Metallformgießverfahren. Im Unterschied zur DE 10 2010 001 988 A1 wird kein Rohteil eines tubulären Elektrolytkörpers (Halbzelle) mit einer geschlossenen Stirnfläche sondern ein Rohteil der Festoxid- Brennstoffzellen in einer neuen Bauweise ausgebildet. In dieser Konstruktion sind alle Nachteile bekannter Ausführungen beseitigt, denn die Konstruktion vereinigt die Vorteile der tubulären und planaren Ausführungen. Diese Konstruktion ermöglicht es, Einrichtungen mit einer spezifischen Leistung bis zu 20 kW/1 herzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform wird der elektrochemische Teil der Zelle (wellenartige Platte) aus einem, zwei und mehr Paaren von ungleichnamigen Elektroden ausgebil- det, die versetzt aufgetragen werden, so dass die elektrische Serienschaltung der Zellen auf dem Elektrolytfilm sichergestellt wird. Die Filme werden miteinander verbunden, und die Elektroden der Nachbarzellen werden verbunden (elektrische Serienschaltung der Zellen zu einem Stapel). Danach wird in einer speziellen Vorrichtung eine wellenartige Platte mit Kanälen ausgebildet, welche im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis darstellen, und Kanälen, die in Form von umgekehrten gleichschenkligen höhengleichen Trapezen ohne die größere obere Basis darstellt, und wobei der Winkel α an der kleineren Basis vorzugsweise 0,1 - 89,9° beträgt. Danach wird die wellenartige Platte mit zwei Gegenwänden - der Vorderwand und der Hinterwand - verbunden, wobei diese Wände normal zu den Wellen angeordnet und damit höhengleich sind, aus der Folie des Elektroisolier- Konstruktionsmaterials unter Erhitzung bis 90-110 °C und beim Druck von 0,2 - 0,4 GPa gefertigt sind. Anschließend werden Löcher für die Einführung und Abführung der Reagenzien ausgebildet, mit nachfolgendem Vorgang des gemeinsamen Sintems (Co-Fire) bei 900-1200 °C.
Die vorliegende Erfindung kann zur Herstellung von nicht nur elektrochemischen Erzeugnissen bei Festoxid-Brennstoffzellen sondern auch bei anderen elektrochemischen Hochtemperatur-Einrichtungen (ECHTE) mit Festelektrolyt, wie z. B. elektrolytische Hochtemperaturzellen, Konversionsreaktoren, Sauerstoffpumpen und ähnliche Einrichtungen, verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Modifizierte Planarzelle mit einem Festelektrolyt (1), einer Anode (3), und einer Kathode (2), wobei der Festelektrolyt (1), die Anode (3), und die Kathode (2) eine wellenartige Platte (4) bilden,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wellenartige Platte (4) aus Wellen (5) besteht, die Kanäle in Form von gleichschenkligen höhengleichen Trapezen ohne größere untere Basis für ein Reagenz und Kanäle in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere Basis für ein anderes Reagenz bilden.
2. Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Winkel des Schenkels mindestens eines der Trapeze der Kanäle gegenüber der zugehörigen Basis im Bereich von ca. 0,1 ° bis ca. 89,9° liegt.
3. Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine der Komponenten der wellenartigen Platte selbstständig tragend ausgebildet ist.
4. Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kanäle der wellenartigen Platte (4) durch Seitenwände (7) und/oder Deckelflächen (16, 18) und/oder Bodenflächen (16, 18) geschlossen sind, wo- bei in den Seitenwänden, den Deckelflächen, den Bodenflächen und/oder in den Kanälen vorzugsweise Löcher (8, 9, 19, 20) vorhanden sind.
5. Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens einer der Kanäle der wellenartigen Platte (4) an der größeren Basis des Trapezes offen ist.
Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie eine Metall- oder Oxid-Strombahn und/oder eine vorzugsweise elekt- ronenleitfähige Strom-Gas-Zuführung aufweist.
Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kanäle für die Abführung der Brennstoffresten dienen, wobei ein Austrittsgassammler (16) und ein Eintrittsgassammler (16) vorhanden sind, die vorzugsweise um 180° zur senkrechten Achse und zueinander gedreht sind.
Modifizierte Planarzelle nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die den elektrochemischen Teilen zugewandten flachen Oberflächen der Gassammler (16) mit den Elektroden verbunden sind und gleichzeitig als Stromkollektoren und Stromklemmen der Planarzelle verwendet sind.
9. Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anode (3) und/oder die Kathode (2) gasdiffus ist.
10. Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche, mit einem Festoxid- Festelektrolyt (1 ), einer gasdiffusen Anode (3), einer Kathode (2), einer Metalloder Oxid-Strombahn und einer Strom-Gas-Zuführung,
dadurch gekennzeichnet, dass der tragende Festelektrolyt (1 ) der Zelle in Form einer wellenartigen Platte
(4) ausgebildet ist, die aus Wellen (5) besteht,
dass die Wellen (5) der Platte (4) im Querschnitt ein gleichschenkliges höhengleiches Trapez ohne größere untere Basis (6) mit Löchern (9) darstellen, wobei die Löcher (9) an einer Seite im oberen Teil jeder Welle (5) für die Zuführung von einem der Reagenzien, z. B. Brennstoff im Falle einer Brennstoffzelle, ausgebildet sind,
dass die Wellen (5) untereinander an ihrer Basis verbunden sind, um Gasraum- Kanäle (14) der Zelle zu bilden, wobei die Gasraum-Kanäle (14) in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne eine größere obere Basis aus- gebildet sind und der Winkel α an ihrer kleineren Basis 0, 1 bis 89,9° beträgt, dass die wellenartige Platte (4) mit zwei gegenüberliegenden Wänden (7), einer Vorder- und einer Hinterwand, verbunden ist, welche senkrecht zu den Wellen
(5) der Platte (4) angeordnet und damit höhengleich und mit Löchern (8) versehen sind,
dass die Löcher (8) einer Wand (7) für die Einführung eines zweiten Reagenz, z. B. Luft im Falle einer Brennstoffzelle, in jeden Kanal der Elektrodenumgebung in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere Basis und die Löcher (8) der anderen gegenüberliegenden Wand (7) für die Abführung der hypoxischen Mischung dienen,
dass die wellenartige Platte (4) des tragenden Festelektrolyts (1 ) an einer Seite der im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis darstellenden Gasraum-Kanäle (14) mit einer Elektrode, z. B. Nickel-Kermet- Anode (3) im Falle der Brennstoffzelle, beschichtet ist,
dass an der Seite der Gasraum-Kanäle (14) der Elektrodenumgebung, die in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere
Basis ausgestaltet sind, die Platte (4) mit einer zweiten Gegenelektrode, z. B. Kathode (2) auf der Basis von Strontiumlanthan-Manganit, beschichtet ist, dass die metallene kastenförmige Gaszufuhrleitung (17) mit einer Reihe von Löchern (20) für die Zuführung der Reagenzien und die Abführung der Reakti- onsprodukte sorgt, wobei die Breite und die Länge der Gaszufuhrleitung mit denen der Zelle zusammenfallen,
dass diese Löcher (20) den Löchern (9) in den oberen Partien der Wellen (5) der Zelle entsprechen, die im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne eine größere untere Basis darstellen, und gasdicht mit dem Umfang der Löcher (20) verbunden sind,
dass in der Planarzelle ein gasdichter Raum für das durch ein Rohr (17) zugeführte Reagenz, für seine gleichmäßige Verteilung über die Gasraum-Kanäle (14) und den Austritt der Abgase durch einen ähnlichen Austrittsgassammler (16) ausgebildet ist, wobei der Austrittsgassammler (16) um 180° zur senkrech- ten Achse gedreht und gasdicht mit dem keramischen Teil am Umfang verbunden ist, und
dass dabei die mit Löchern (20) versehenen Flachoberflächen der Gassammler (16) mit den Elektroden verbunden sind und gleichzeitig als Stromkollektoren und die Rohre (17) als Stromklemmen der Planarzelle verwendet sind. 1. Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche, mit Festoxid- Festelektrolyt (1 ), einer gasdiffusen Anode (3), einer gasdiffusen Kathode (2), einer Metall- oder Oxid-Strombahn und einer Strom-Gas-Zuführung,
dadurch gekennzeichnet,
dass die tragende poröse Anode (3) der Planarzelle in Form einer wellenartigen
Platte (4) ausgebildet ist, die aus Wellen (5) besteht, welche im Querschnitt ein höhengleiches gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis (6) darstellen,
dass die Wellen (5) mit Löchern (9) an einer Seite im oberen Teil jeder Welle (5) für die Zuführung von einem der Reagenzien, z. B. Brennstoff im Falle einer
Brennstoffzelle, versehen sind,
dass die Wellen (5) untereinander an der Basis verbunden sind, um Gasräume der Planarzelle in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere Basis zu bilden, dass der Winkel α an der kleineren Basis 0,1 bis 89,9° beträgt, dass die wellenartige Platte (4) dabei mit zwei Gegenwänden (7) - einer Vorder- und einer Hinterwand - aus einem mit den anderen Komponenten verträglichen Material verbunden ist,
dass diese Wände (7) senkrecht zu den Wellen (5) angeordnet und damit hö- hengleich und mit Löchern (8) versehen sind, und zwar eine Wand (7) für die
Einführung des zweiten Reagenz, z. B. Luft im Falle einer Brennstoffzelle, in jeden Kanal in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere Basis,
dass die Elektrodenumgebung und die Gegenwand (7) - Hinterwand - zur Ab- führung der hypoxischen Mischung dient,
dass die tragende Platte (4) der porösen Anode (3) dabei an der Stelle der Wellen (5), der Kanäle, welche im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis darstellen, wenigstens mit zwei Schichten beschichtet ist, und zwar zuerst mit einer dünnen Schicht eines gasdichten Festelektrolyts (1) und dann mit einer weiteren porösen gasdiffusen Elektrode, z. B. Kathode (2) auf der Basis von Strontiumlanthan-Manganit im Falle einer Brennstoffzelle, mit der Möglichkeit einer gasdichten Verbindung, der Abdichtung an den Löchern (8) in den Wellen (5) mit dem Eintrittsgassammler (16) und am Umfang des e- lektrochemischen Teils mit dem Austrittsgassammler (16),
dass eine metallene kastenförmige Gaszufuhrleitung mit einer Reihe von Löchern die Zuführung der Reagenzien und die Abführung der Reaktionsprodukte sicherstellt, wobei die Breite und die Länge der Gaszufuhrleitung mit denen der Planarzelle übereinstimmen und ihre Löcher den Löchern in den oberen Teilen der Wellen der Planarzelle entsprechen,
dass die Zellen aus Kanälen bestehen, die im Querschnitt ein gleichschenkliges
Trapez ohne größere untere Basis darstellen, wobei die Löcher der Gaszufuhrleitung in der Planarzelle einen gasdichten elektrodennahen Raum gestalten, der für den über ein Rohr (17) eintretenden Brennstoff, eine gleichmäßige Ver- teilung über die Kanäle sowie den Austritt der Reaktionsprodukte über den ähnlichen Austrittsgassammler (16), sorgt,
dass der Austrittsgassammler (16) gegenüber dem Eintrittsgassammler (16) entlang der senkrechten Achse um 180° gedreht ist,
dass die mit Löchern (20) versehenen Flachoberflächen der Gassammler (16) mit den Elektroden verbunden sind und gleichzeitig als Stromkollektoren wirken, und dass die Rohre (17) als Stromklemmen der Planarzelle verwendet sind.
2. Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche, mit Festoxid- Festelektrolyt (1), einer gasdiffusen Anode (3), einer gasdiffusen Kathode (2), einer Metall- oder Oxid-Strombahn und einer Strom-Gas-Zuführung,
dadurch gekennzeichnet,
dass die tragende poröse Kathode (2) der Planarzelle in Form einer wellenartigen Platte (4) ausgebildet ist,
dass die Platte (4) aus Wellen (5) besteht, welche Kanäle ausbilden, die im Querschnitt ein gleichschenkliges höhengleiches Trapez ohne größere untere Basis (6) mit Löchern an einer Seite im oberen Teil jeder Welle für die Zuführung von einem der Reagenzien, z. B. Luft im Falle einer Brennstoffzelle, darstellen,
dass die Wellen (5) untereinander an der Basis zur Ausbildung des elektrodennahen Gasraums der Planarzelle aus Kanälen von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere Basis verbunden sind,
dass der Winkel α an der unteren kleineren Basis 0,1 bis 89,9° beträgt, dass die wellenartige Platte (4) dabei mit zwei Gegenwänden (7) - einer Vorderwand und einer Hinterwand - verbunden ist, wobei diese Wände (7) senkrecht zu den Wellen (5) angeordnet, damit höhengleich und mit Löchern versehen sind,
dass die Vorderwand für die Einführung des zweiten Reagenz, z. B. Brennstoff im Falle einer Brennstoffzelle, in jeden Kanal in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere Basis in der Elektrodenumge- bung und die andere gegenüberliegende Hinterwand zur Abführung der Reaktionsprodukte verwendet sind,
dass die wellenartige Platte (4) der tragenden porösen Kathode (2) dabei an der Seite der Wellen (5) aus Kanälen besteht, die im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis darstellen, zuerst mit einer dünnen Schicht eines gasdichten Festelektrolyts (1) und dann mit einer weiteren porösen gasdiffusen Elektrode, z. B. Nickel-Kermet-Anode im Falle einer Brennstoffzelle, beschichtet ist, mit der Möglichkeit der gasdichten Verbindung, der Abdichtung der Löcher (8) in den Wellen (5) mit dem Eintrittsgassammlers (16) und am Umfang des elektrochemischen Teils mit dem Austrittsgassammler (16), dass die metallene kastenförmige Gaszufuhrleitung mit einer Reihe von Löchern die Zuführung von Reagenzien und die Abführung der Reaktionsprodukte sicherstellt,
dass die Abführung aus Kanälen erfolgt, die im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis darstellen,
dass die Breite und die Länge der Gaszufuhrleitung mit denen der Planarzelle übereinstimmen und die Löcher den Löchern in den unteren Teilen der Wellen (5) der Planarzelle entsprechen,
dass in der Planarzelle ein gasdichter Raum gebildet ist,
dass für die aus dem Rohr (17) eintretende Luft eine gleichmäßige Verteilung über die Kanäle und den Austritt der hypoxischen Mischung über den Austrittgassammler (16) erreicht ist,
dass der Austrittsgassammler (16) zur senkrechten Achse um 180° gedreht ist, dass die mit Löchern (20) versehenen Flachoberflächen der Gassammler (16) dabei mit den Elektroden verbunden sind und gleichzeitig als Stromkollektoren wirken, und
dass die Rohre ( 7) als Stromklemmen der Planarzelle verwendet sind. Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche, mit Festoxid- Festelektrolyt (1), einer gasdiffusen Anode (3), einer gasdiffusen Kathode (2), einer Metall- oder Oxid-Strombahn und einer Strom-Gas-Zuführung,
dadurch gekennzeichnet,
dass der tragende poröse, z. B. Anoden-Stromkollektor, von einer wellenartigen Platte (4) aus Kanälen ausgebildet ist, die im Querschnitt ein gleichschenkliges höhengleiches Trapez ohne größere untere Basis darstellt,
dass an einer Seite im oberen Teil jeder Welle (5) Löcher vorgesehen sind, dass Kanäle für die Zuführung von einem der Reagenzien, z. B. Brennstoff im Falle einer Brennstoffzelle, vorgesehen sind,
dass die Wellen (5) untereinander an der Basis zur Ausbildung des elektrodennahen Gasraums der Planarzelle aus den Kanälen in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere Basis verbunden sind,
dass der Winkel α an der kleineren Basis 0,1 bis 89,9° beträgt,
dass die wellenartige Platte (4) dabei mit zwei Gegenwänden (7) - einer Vorderwand und einer Hinterwand - aus einem mit den anderen Komponenten verträglichen Material verbunden ist, wobei diese Wände (7) senkrecht zu den Wellen (5) der Platte (4) angeordnet sind, damit höhengleich und mit Löchern (8) versehen sind,
dass die Vorderwand für die Einführung des zweiten Reagenz, z .B. Luft im Falle einer Brennstoffzelle, in jeden Kanal in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere Basis in der Elektrodenumgebung dient, während die Gegenwand für die Abführung der hypoxischen Mischung dient, dass die wellenartige Platte (4) des tragenden porösen Anoden-Stromkollektors dabei an der Seite der Wellen (5) aus Kanälen besteht, die im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis darstellen und mit wenigstens drei Schichten bedeckt sind und zwar zuerst mit einer dünnen Schicht eines Materials einer gasdiffusen Anode, mit einer dünnen Schicht eines gasdichten Festelektrolyts (1) und dann mit einer weiteren porösen Schicht einer gasdif- fusen Elektrode, z. B. einer Kathode (3) auf der Basis von Strontiumlanthan- Manganit im Falle einer Brennstoffzelle,
dass dabei eine Möglichkeit einer gasdichten Verbindung, der Abdichtung an den Löchern der Wellen (5) mit dem Eintrittsgassammler (16) und am Umfang des elektrochemischen Teils mit dem Austrittsgassammler (16) gegeben ist, dass die metallene kastenförmige Gaszufuhrleitung mit einer Reihe von Löchern die Zuführung von Reagenzien und die Abführung der Reaktionsprodukte sicherstellt,
dass die Breite und die Länge der Gaszufuhrleitung mit denen der Planarzelle übereinstimmen,
dass die Löcher der Gaszufuhrleitung den Löchern in den oberen Teilen der Wellen (5) entsprechen,
dass die Kanäle im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis darstellen,
dass diese Löcher in der Planarzelle einen gasdichten elektrodennahen Raum gestalten für den über das Rohr (17) eintretenden Brennstoff, seine gleichmäßige Verteilung über die Kanäle und den Austritt der Reaktionsprodukte über den ähnlichen Austrittsgassammler (16), der zur senkrechten Achse um 180° gedreht ist,
dass die mit Löchern (20) versehenen Flachoberflächen der Gassammler (16) dabei mit den Elektroden verbunden sind, die gleichzeitig als Stromkollektoren wirken, und
dass die Rohre (17) als Stromklemmen der Planarzelle verwendet sind.
Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche, mit Festoxid- Festelektrolyt (1), einer gasdiffusen Anode (3), einer gasdiffusen Kathode (2), einer Metall- oder Oxid-Strombahn und einer elektronenleitfähigen Strom-Gas- Zuführung,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strom-Gas-Zuführung zwecks Verminderung der Verluste und Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Stromabnahme von der Zelle in Form einer dicken elektronenleitfähigen Platte ausgebildet ist, deren Abmessungen der Breite und der Länge der Zelle gleich sind,
dass die Platte dabei eine gemeinsame Öffnung entlang einer der Seiten hat, wobei diese Öffnung mit einer Reihe von Löchern kommuniziert, welche den Löchern in den oberen Teilen der Wellen der Zelle entsprechen und mit diesen Löchern am Umfang gasdicht verbunden sind, wobei die oberen Teile der Wellen (5) im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis (6) für den Eintritt von einem der Reagenzien darstellen,
dass die Strom-Gas-Zuführung für die Abführung der Reaktionsprodukte vorher um 180° zur senkrechten Achse gedreht und am Umfang des unteren elektrochemischen Teils der Zelle gasdicht verbunden ist,
dass die dem elektrochemischen Teil der Zelle zugewandte Oberfläche des Eintrittssammlers (16) eine Schutzbeschichtung, z. B. aus Mangan-Kobalt-Spinell, hat und mit der Kathode (3) über ein Material eines Kathode-Kontaktols verbunden ist,
dass die dem elektrochemischen Teil zugewandte Oberfläche des Austrittssammlers (16) mit der Anode (3) mittels eines Materials des Anode-Kontaktols verbunden ist und als Stromabnehmer wirkt, und
dass die mit allgemeinen Öffnungen verbundenen Rohre (17) für die Zuführung und Abführung der Reagenzien in den Sammlern (16) an einem beliebigen Schenkel oder an der Vorder- und Hinterseite der Zelle angeordnet sind.
15. Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche, mit Festelektrolyt (1), einer Anode (3), einer Kathode (2), einer Metall- oder Oxid-Strombahn und einer Strom-Gas-Zuführung,
dadurch gekennzeichnet,
dass, um einen minimalen Zwischenraumdifferenzdruck zwischen den Anoden- und Kathoden-Gasräumen sicherzustellen, die wellenartige Platte (4) in den Zel- len mit funktionellen Dünnschichten der Komponenten aus Kanälen in Form von höhengleichen gleichschenkligen Trapezen ohne größere untere Basis (6) für ein Reagenz und aus Kanälen in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne größere obere Basis für ein anderes Reagenz besteht, wobei der Querschnitt der Kanäle den Reagenzien-Gasströmungen im Betriebszu- stand der elektrochemischen Einrichtung proportional ist.
16. Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der elektrochemische Teil der Zelle aus einem, zwei und mehr Paaren von ungleichnamigen Elektroden ausgebildet wird, die versetzt angeordnet sind, so dass die elektrische Serienschaltung der Zellen sichergestellt wird.
17. Stapel, der aus wenigstens zwei modifizierten Planarzellen nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist.
18. Stapel nach Anspruch 17, der aus planaren Zellen mit Festoxid- Festelektrolyt (1), einer gasdiffusen Anode (3), einer gasdiffusen Kathode (2) und einer Metalloder Oxid-Strombahn und einer Strom-Gas-Zuführung gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zellen mittels der oberen und der unteren Oberfläche des wellenartigen Arbeitsabschnitts strommäßig seriell über die flache Platte der Strombahn verbunden sind,
dass die Größe der flachen Platte der Breite und der Länge der Zelle gleich ist, dass die Löcher den Löchern (20) in den oberen Teilen der Wellen (5) der Zelle entsprechen, welche im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis (6) darstellen und beim Zusammenbau in jeder Zelle einen gasdichten Raum für das Reagenz ausbilden, welches in den Stapel gemäß der Zusammenbauachse über den Eintrittsgassammler (16) kommt, dass die Abgase senkrecht zur Zusammenbauachse innerhalb jeder Zelle und gemäß der Zusammenbauachse über den Austrittsgassammler (16) austreten, dass der Eintrittsgassammler (16) zwecks Gestaltung einer solchen Strömung mittels kleiner Löcher gasdicht mit den Löchern in den Wellen verbunden ist, die im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis und die obere Fläche der oberen Zelle darstellen sowie gasundicht an der Seite des oberen Teils der Wellen (5) verbunden sind,
dass die im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis darstellenden Wände der Zelle den Löchern entgegengesetzt angeordnet sind und am Umfang des unteren Teils der oberen Zelle gasdicht mit der Platte der Strombahn verbunden sind, wobei diese um 180° gemäß der Zusammenbauachse des Stapels in Bezug auf die kleinen Löcher der oberen Zelle verbunden sind,
dass danach jede nachfolgende Zelle und die Strombahn ebenfalls um 180° gemäß der Zusammenbauachse des Stapels in Bezug auf die vorhergehenden Zellen umgekehrt sind, wobei jede Strombahn mittels einer Seite am Umfang jedes kleinen Lochs gasdicht und an der Gegenseite gasundicht und mittels der anderen Seite an ihrem Umfang gasdicht mit dem Umfang der Zelle verbunden ist,
dass die untere Endzelle nach dem gleichen Prinzip mit dem Austrittsgassamm- ler (16) der Abgase verbunden ist, wobei die Strömung des zweiten Reagenz in
Form von Parallelströmungen über alle Gaskanäle in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere Basis über alle Zellen und den Stapel verteilt ist,
dass die Rohre (17) in jedem der kastenförmigen Gassammler eine Öffnung aufweisen, welche eine gleichmäßige Verteilung der Gasströmungen sicherstellt und welche elektrisch mit einer Gasverteilungsplatte und mit einer Gassammlerbox verbunden sind und
dass eine wirksame Stromabnahme des vom Stapel erzeugten elektrischen Stroms von der Außenpartie des Rohres (17) sichergestellt ist.
19. Stapel nach einem der übrigen Ansprüche, der wenigstens aus zwei modifizierten planaren Zellen mit einem Festoxid- Festelektrolyt (1 ), einer gasdiffusen A- node (3), einer gasdiffusen Kathode (2) und einer Metall- oder Oxid-Strombahn und einer Strom-Gas-Zuführung besteht,
dadurch gekennzeichnet,
dass für eine verbesserte Stromverteilung und eine Verminderung der Verluste am Widerstand der Stromkollektoren in Form von einer dicken flachen Platte die Abmessungen der Platte der Breite und der Länge der Zelle gleich sind, und dass der Stapel mit einer Baugruppe für eine gleichmäßige Zuführung eines Gasreagenz im Plattenkörper versehen oder an einer Seitenfläche angeordnet ist.
20. Verfahren zur Ausbildung des keramischen Rohteils einer modifizierten Planarzelle, insbesondere einer modifizierten Planarzelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, mit einem tragenden Festelektrolyt (1 ), z. B. auf der Basis von Zirkoniumdioxid - YSZ, einer gasdiffusen Anode (3) und einer gasdiffusen
Kathode (2), mit Hilfe eines Verfahrens des Heißspritzens eines Schlickers, z. B. auf der Basis von Paraffin, mit einer Metallform,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Ausbildung einer 100 - 150 pm starken Festelektrolyt-Schicht mit ausreichender mechanischer Festigkeit eine erforderliche Menge von Schlicker, welcher ein YSZ-Pulver enthält, innerhalb von weniger als 0,2 Sekunden in die Form eingespritzt wird, ohne dass die Bedingungen der Laminarität der gegossenen Strömungen verletzt werden. 21 . Verfahren zur Ausbildung des keramischen Rohteils einer modifizierten Planarzelle, insbesondere einer modifizierten Planarzelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, mit Festelektrolyt (1), z. B. auf der Basis von Zirkoniumdioxid - YSZ, und einer gasdiffusen Anode (3), einer Kathode (2) und einem Stromkollektor, wobei die Anode (3) und/oder die Kathode (2) und/oder der Stromkollektor tragend ist, mittels Heißspritzens des Schlickers, z. B. auf der Basis von Paraffin, in eine Metallform,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Ausbildung der Schicht der tragenden Komponente der Festoxid- Brennstoffzelle mit einer Stärke von 300 - 500 m, welche eine mechanische Festigkeit sicherstellt, die erforderliche Menge von Schlicker, der das Pulver aus dem Material der tragenden Komponente enthält, im Laufe von 0,2 - 1 ,0 Sek. in die Form eingespritzt wird, ohne dass die Bedingungen der Laminarität der eingespritzten Strömungen verletzt werden.
Verfahren zur Ausbildung des keramischen Rohteils einer modifizierten Planarzelle, insbesondere einer modifizierten Planarzelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, mit Festelektrolyt (1) oder des Stapels der Zellen, z. B. auf der Basis von Zirkoniumdioxid - YSZ (ScSZ), und mit einer gasdiffusen Anode (3), einer Kathode (2) und einem Stromkollektor, wobei die Anode (3) und/oder die Kathode (2) und/oder der Stromkollektor tragend ist, unter Einsatz einer Technologie wie Foliengießen (Tape Casting), Siebdrucktechnik (Screen Print), Walzen oder ihrer Kombination,
dadurch gekennzeichnet,
dass der elektrochemische Teil der Zelle aus einem, zwei und mehr Paaren von ungleichnamigen Elektroden ausgebildet wird, die versetzt aufgetragen werden, so dass die elektrische Serienschaltung der Zellen sichergestellt wird, mit nachfolgender Ausbildung der wellenartigen Platte (4) in einer dafür geeigneten Vorrichtung, wobei die Platte (4) mit Kanälen versehen wird, welche im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne eine größere untere Basis und Kanäle in Form von umgekehrten gleichschenkligen höhengleichen Trapezen ohne eine größere obere Basis darstellt, und wobei der Winkel α an der kleineren Basis 0,1 - 89,9° beträgt, und mit einer Verbindung mit zwei Gegenwänden (7), einer Vorderwand und einer Hinterwand, wobei diese Wände senkrecht zu den Wellen (5) angeordnet und damit höhengleich sind, dass aus einer Folie eines Elektroisolier-Konstruktionsmaterials unter Erhitzung auf 90 - 110° C und bei einem Druck von 0,2 - 0,4 GPa, und mit der Ausbildung der Löcher für die Einführung und Abführung der Reagenzien, mit einem nachfolgenden Vorgang eines gemeinsamen Sinterns (Co-Fire) bei 900 - 1200° C der elektrochemische Teil der Zelle hergestellt wird.
Gießform für das Gießen eines keramischen Rohteils einer modifizierten Planarzelle, für die Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 20 oder 21.
Gießform nach Anspruch 23, für das Gießen eines keramischen Rohteils einer modifizierten Planarzelle mit einem Festelektrolyt (1) auf der Basis von Zirkoniumdioxid - YSZ, z. B. einer Zelle mit einem tragenden Festelektrolyt (1), mit einer tragenden gasdiffusen Anode (3), mit einer tragenden gasdiffusen Kathode (2), oder mit einem tragenden gasdiffusen Stromkollektor nach dem Verfahren des Heißspritzens von Schlicker, z. B. auf der Basis von Paraffin, in eine Metallform,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stahlform für die Ausbildung des Rohteils mit den Kanälen der modifizierten Planarzelle, welche im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis (6) und in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere Basis darstellen, zwei Gruppen von rechteckigen beweglichen Platten und zwei Gruppen von rechteckigen unbeweglichen Platten aufweist,
dass die Platten dabei einander abwechseln,
dass die im Ausbildungsbereich beweglichen Rohteile im Querschnitt ein Trapez aufweisen,
dass der Winkel α an der kleineren Basis 0,1 - 89,9° beträgt,
dass die unbeweglichen Platten am Umfang des Rohteils und die Platte an einer Seite des wellenartigen Rohteils eine Zerlegbarkeit der Form sicherstellen, und dass die Form mit einer Vorrichtung zur Entnahme der beweglichen Platten aus dem Gussstück und mit Gewindegriffen für die Zerlegung der Form ausgerüstet ist.
Modifizierte Planarzelle nach einem der übrigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens zwei Kathoden (2) und wenigstens zwei Anoden (3) vorhanden sind, die elektrochemische Zellen darstellen, welche strommäßig seriell über eine Strombahn (Interconnect) (22) verbunden sind. 26. Stapel von modifizierten Planarzellen nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet,
dass die Stromklemmen des Stapels die Seitenflächen (15.2) der wellenartigen Platte sind. 27. Stapel von modifizierten Planarzellen nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet,
dass die wellenartige Platte mittels zwei gegenüberliegender Wände (Vorder- und Hinterwand) aus Elektroisolierstoff verbunden ist, welche mit den Wellen höhengleich sind und mit Löchern (8) und (9) versehen sind,
dass Löcher (8) für die Ein- und Abführung von einem Reagens, z.B. Oxidiermit- tel (Luft) im Falle der Festoxid-Brennstoffzelle, in jeden Kanal in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere Basis, und für die Abführung der hypoxischen Mischung dienen, und
dass Löcher (9) für die Ein- und Abführung von einem anderen Reagens, z.B. Brennstoff (Wasserstoff) im Falle der Festoxid- Brennstoffzelle, und Abführung von Reaktionsprodukten in jeden Kanal in Form von gleichschenkligen Trapezen ohne die größere untere Basis dienen,
dass die Zuführung von Reagenzien und die Abführung der Reaktionsprodukte durch einen Gassammler (16) aus Elektroisolierstoff erfolgt, der eine Reihe von Löchern (20) aufweist, welche den genannten Löchern (9) im oberen Teil der Platte entsprechen, wobei die Platte gasdicht mit dem Gassammler am Umfang einer Oberfläche (21) verbunden ist und in der Zelle einen gasdichten Hohlraum für das über ein Rohr eintretende Reagens, seine gleichmäßige Verteilung über die Kanäle und den Austritt der Abgase über den ähnlichen Austrittsgassammler (16) mit einem Rohr (17) ausbildet,
dass der ähnliche Austrittsgassammler (16) um 180° zur senkrechten Achse gedreht und gasdicht mit dem keramischen Teil am Umfang verbunden ist.
Stapel mit erhöhter Leistung, welcher aus den Stapeln der modifizierten Planar- zellen mit tragendem Festoxidelektrolyt (1), gasdiffusen Anoden (3), gasdiffusen Kathoden (2), einer elektronenleitfähigen Metall- oder Oxid-Strombahn (22) nach Anspruch 19 besteht und ähnlich wie der Stapel aus den einzelnen modifizierten Planarzellen nach Anspruch 17 und/oder 18 zusammengebaut wird, dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektrolyt des Stapels (1) im Arbeitsabschnitt in Form von einer wellenartigen Platte mit ungerader Anzahl von Wellen ausgebildet ist, welche abwechselnd eine Welle darstellen, die im Querschnitt ein gleichschenkliges Trapez ohne größere untere Basis für einen Gasreagens aufweist, und eine Welle, die im Querschnitt die Form von einem umgekehrten gleichschenkligen Trapez ohne größere obere Basis für anderes Gasreagens aufweist, wobei der Winkel α an der kleineren Basis 0,1 - 89,9° beträgt,
dass die wellenartige Platte dabei mittels zwei gegenüberliegender Wände (Vorder- und Hinterwand) aus Elektroisolierstoff verbunden ist, welche mit den Wellen höhengleich sind und mit Löchern (8) versehen sind, um in jeden Kanal in Form von umgekehrten gleichschenkligen Trapezen ohne die größere obere Basis ein Reagens, z.B. Oxidiermittel (Luft) im Falle der Festoxid- Brennstoffzelle ein- und abzuführen und um die hypoxische Mischung abzuführen,
wobei die wellenartige Platte selbst mit Löchern versehen ist, um ein anderes Reagens, z.B. Brennstoff (Wasserstoff) beim Betrieb als Festoxidbrennstoffzelle in jeden Kanal in Form von gleichschenkligen Trapezen ohne die größere untere Basis einzuführen, wobei diese Löcher in der oberen Basis in der Nähe von einer der Verbindungswände angeordnet sind,
dass die Stapel miteinander über eine flache Verbindungsplatte aus Elektroiso- lierstoff verbunden sind, wobei die Größe der Verbindungsplatte der Breite und der Länge des Stapels gleich ist, und wobei die Verbindungsplatte eine Reihe von Löchern aufweist, die den Löchern in den oberen Teilen der Stapelwellen entsprechen,
dass die Endstapel mit keramischer Gaszuführung - dem Gassammler aus E- lektroisolierstoff - mit einer Reihe von Löchern geschaltet sind, welche den Löchern in den oberen Teilen der Plattenwellen in der Nähe von einer der Wänden entsprechen,
dass dadurch die Zuführung von Brennstoffreagenzien und die Abführung der Reaktionsprodukte erfolgt,
dass, um die Bedingungen für die gleichmäßige Verteilung des über Kanäle eintretenden Brennstoffes zu schaffen, in jedem nachfolgenden Bauteil (Baugruppe) in der Reihe Gaszuleitung, Stapel, Verbindungsplatte, Stapel, Verbindungsplatte, Stapel beim Zusammenbau und gasdichter Verbindung des Stapels mit erhöhter Leistung die Gasableitung um 180° zur senkrechten Achse gedreht wird,
wobei die strommäßige Nacheinanderschaltung der Nachbarstapel auf der wellenartigen Platte mittels Kontakten an den Seitenwänden (15.2 Fig. 7) ausgeführt wird.
Stapel mit erhöhter Leistung, der aus den Stapeln von modifizierten Planarzel- len mit tragendem Festoxidelektrolyt (1), gasdiffusen Anoden (3), gasdiffusen Metall- oder Oxid-Kathoden (2), elektronenleitfähigen punktartigen oder Vollstrombahnen (22) nach Anspruch 19 besteht,
dadurch gekennzeichnet, dass, um die intensivere Wärmeabnahme durch die Luftströmung sicherzustellen, die Wellen des Stapels aus wellenartigen Festelektrolytplatten mit einer offenen Luftstirnfläche in eine oder in zwei Lagen auf der Oberfläche angeordnet werden,
dass die Wellen im Querschnitt die Form von einem umgekehrten gleichschenk- ligen Trapez ohne größere obere Basis aufweisen, wobei der Winkel α an der kleineren Basis 0,1 - 89,9° beträgt, und dass diese Wellen entlang der Strömung angeordnet werden,
dass dabei, um die parallele Brennstoffversorgung der Stapel (Fig. 10) auf den wellenartigen Platten zu erreichen, die mit Löchern (20) versehenen Gassamm- ler für die Zu- und Abführung der Reagenzien untereinander verbunden werden, und die strommäßige Nacheinanderschaltung mittels Kontakten an den Seitenwänden ( 5.2) erfolgt,
und/oder
dass, um die serielle Brennstoffversorgung der Stapel (Fig. 1 1 ) auf den wellen- artigen Platten zu erreichen, diese miteinander mittels der Vorder- und Hinterwand der Nachbarzellen verbunden werden, und die strommäßige Nacheinanderschaltung oder Nebenschlussschaltung mittels Kontakten über die Oberflächen (15.2) erfolgt.
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