JP6108724B2 - Fuel cell with improved current guidance - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池および燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell system.

燃料電池は、管状または面状に構成される。本願の対象となる燃料電池は、管状の構造を有しているものである。これはチューブ状とも称され、その幾何学的な形状によって、面状に形成された燃料電池と区別される。   The fuel cell is configured in a tubular shape or a planar shape. The fuel cell which is the subject of the present application has a tubular structure. This is also called a tube shape, and is distinguished from a fuel cell formed into a planar shape by its geometric shape.

このチューブに沿った電流ガイドのために、管状燃料電池において電流コレクタを用いることが公知である。これらは主に、適切な電流ガイドを実現するためおよび抵抗損失を制限するために、特に導電性の材料から形成され、例えば電流コレクタ棒としてガス供給筒の中央に配置される、または層やウェブとして、直接的にチューブ上に被着される。良好な導電性の他に、電流コレクタは、使用されている他の材料(例えばアノードまたはカソード)との化学的および熱機械的なコンパチビリティを有しているべきである。さらに温度が高い場合にも長時間耐久性を提供すべきである。   It is known to use a current collector in a tubular fuel cell for the current guide along this tube. They are mainly formed from a particularly conductive material, for example to provide a suitable current guide and limit resistance losses, for example as a current collector rod, placed in the middle of a gas supply cylinder, or a layer or web Directly on the tube. In addition to good conductivity, the current collector should have chemical and thermomechanical compatibility with the other materials used (eg anode or cathode). In addition, long-term durability should be provided even at high temperatures.

文献欧州特許第1079453号明細書から、チューブ状燃料電池が知られている。ここではシーリング構造によって、セルの密閉性並びにセルの電気的特性が改善される。さらに、管状セルはセルエレメントフィルムを含んでいる。これは焼成方法および燃料極および空気極をフィルムとして形成することによって、燃料電池の基板管の表面上に形成される。ここでは固体電界質が燃料極と空気極との間に挿入される。この際に、大きい表面粗面性を備えた粘着性増強フィルムが、管状セルの密閉された区間上に配置される。   A tubular fuel cell is known from document EP 1079453. Here, the sealing structure improves the sealing properties of the cell as well as the electrical properties of the cell. In addition, the tubular cell includes a cell element film. This is formed on the surface of the substrate tube of the fuel cell by forming the firing method and the fuel electrode and air electrode as a film. Here, a solid electrolyte is inserted between the fuel electrode and the air electrode. At this time, an adhesion enhancing film having a large surface roughness is disposed on the sealed section of the tubular cell.

文献欧州特許出願公開第1624521号明細書からさらに、固体酸化物形燃料電池ないしは固体酸化物形燃料電池の製造方法が知られている。燃料電池は複数のセルを含んでいる。これらのセルはそれぞれ1つの燃料極と、電解質と、空気極とを含んでいる。これらのセルはここで、例えば管状の横断面を備えた絶縁基板上に配置されている。隣接している複数のセルはインターコネクタによって電気的に相互に直列接続されている。これらのインターコネクタはそれぞれ、第1のセルの燃料極を別のセルの空気極と接続する。   Furthermore, a method for producing a solid oxide fuel cell or a solid oxide fuel cell is known from the document EP 1 624 521. The fuel cell includes a plurality of cells. Each of these cells includes a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode. These cells are here arranged, for example, on an insulating substrate with a tubular cross section. A plurality of adjacent cells are electrically connected to each other in series by an interconnector. Each of these interconnectors connects the fuel electrode of the first cell to the air electrode of another cell.

欧州特許第1079453号明細書European Patent No. 1079453 欧州特許出願公開第1624521号明細書European Patent Application No. 1624521

電流案内が改善された燃料電池および燃料電池システムを提供すること。   To provide a fuel cell and a fuel cell system with improved current guidance.

上述の課題は、電気的に接続されている少なくとも2つのセグメントラインを備えた管状機能部を有しており、前記少なくとも2つのセグメントラインの各々は、少なくとも2つの電極−電解質−セグメントを有しており、当該電極−電解質−セグメントはそれぞれ、1つのアノードと1つのカソードと、当該アノードとカソードの間に配置されている1つの電解質とを含んでおり、1つのセグメントラインの前記電極−電解質−セグメントは直列接続されており、異なるセグメントライン内に配置されている少なくとも2つの電極−電解質−セグメントは、アノードの材料からまたはカソードの材料から形成されている接続部分を介して電気的に接続されており、殊にこれによって、複数のセグメントラインが直列接続される、ことを特徴とする燃料電池によって解決される。また上述の課題は、上記燃料電池を少なくとも1つ含んでいる、ことを特徴とする燃料電池システムによって解決される。   The above-mentioned problem has a tubular functional part with at least two segment lines that are electrically connected, each of the at least two segment lines having at least two electrode-electrolyte-segments. Each of the electrode-electrolyte-segments includes an anode, a cathode, and an electrolyte disposed between the anode and the cathode, the electrode-electrolyte in one segment line -The segments are connected in series, at least two electrodes arranged in different segment lines-the electrolyte-the segments are electrically connected via a connection part formed from the anode material or from the cathode material In particular, this allows a plurality of segment lines to be connected in series. It is solved by a fuel cell to. The above-described problem is solved by a fuel cell system including at least one fuel cell.

本発明の構成要件は燃料電池であり、当該燃料電池は、電気的に接続されている少なくとも2つのセグメントラインを備えた管状の機能部を含んでいる。ここで前記少なくとも2つのセグメントラインの各セグメントラインは、少なくとも2つの電極−電解質−セグメントを有しており、当該電極−電解質−セグメントは、アノードとカソードを1つずつと、当該アノードとカソードの間に配置された電解質とを含んでいる。セグメントラインのこれらの電極−電解質−セグメントは、直列接続されている。さらに、異なるセグメントライン内に配置された少なくとも2つの電極−電解質−セグメントは、アノードの材料からまたはカソードの材料から形成された接続部分を介して電気的に接続されており、殊にこれによって、複数のセグメントラインが直列接続される。機能部は、本発明では殊に燃料電池に機能を与える、すなわちエネルギー供給に用いられる素子ないしは部分である。エネルギーを供給するために、本発明の燃料電池では、殊に電極−電解質−セグメントが用いられる。このセグメントは、アノード、カソードおよびこれらの間に配置されている電解質を含んでいる。このようなセグメントは燃料電池においてそれ自体公知の方法で、アノード、カソードおよび電解質の電気化学的なプロセスによってエネルギーを供給する。   A constituent element of the present invention is a fuel cell, and the fuel cell includes a tubular functional unit having at least two segment lines that are electrically connected. Here, each segment line of the at least two segment lines has at least two electrode-electrolyte-segments, and the electrode-electrolyte-segment has one anode and one cathode, one anode and one cathode. And an electrolyte disposed therebetween. These electrode-electrolyte-segments of the segment line are connected in series. Furthermore, the at least two electrode-electrolyte-segments arranged in different segment lines are electrically connected via a connection formed from the anode material or from the cathode material, in particular thereby A plurality of segment lines are connected in series. In the present invention, the functional part is an element or a part that gives a function to the fuel cell, that is, is used for supplying energy. In order to supply energy, in particular, the electrode-electrolyte-segment is used in the fuel cell according to the invention. This segment includes an anode, a cathode, and an electrolyte disposed therebetween. Such segments are supplied with energy by the electrochemical process of the anode, cathode and electrolyte in a manner known per se in fuel cells.

本発明では、機能部は電気的に接続されている少なくとも2つのセグメントラインを有している。ここでこの少なくとも2つのセグメントラインの各セグメントラインは、少なくとも2つの電極−電解質−セグメントを有しており、当該電極−電解質−セグメントは直列接続されている。従って、機能部は少なくとも4つの電極−電解質−セグメントを有している。各電極−電解質セグメントはここで1つのアノードと、1つのカソードとこれらの電極の間に配置されている1つの電解質と含んでいる。このような複数の電極−電解質セグメントを設けることによって、機能部は適切に各用途に適合される。殊に、燃料電池の電流値および電圧値が所望のように調整可能である。異なるライン内に電気的に接続されている電極−電解質−セグメントを設けることによって、さらに拡張された用途多様性ないしは調整可能性が得られる。   In the present invention, the functional unit has at least two segment lines that are electrically connected. Here, each segment line of the at least two segment lines has at least two electrode-electrolyte-segments, and the electrode-electrolyte-segments are connected in series. Thus, the functional part has at least four electrode-electrolyte-segments. Each electrode-electrolyte segment now includes one anode, one cathode and one electrolyte disposed between the electrodes. By providing such a plurality of electrode-electrolyte segments, the functional part is appropriately adapted to each application. In particular, the current value and voltage value of the fuel cell can be adjusted as desired. By providing electrode-electrolyte-segments that are electrically connected in different lines, further expanded versatility or adjustability is obtained.

少なくとも2つのセグメントライン相互の不所望な影響を排除するために、セグメントライン自体をさらに少なくとも部分的に、電気的およびイオン的に相互に絶縁することができる。「部分的に相互に絶縁される」とは本発明の枠内では殊に、個々のセグメントラインが、意図された電気的な接続、例えば接続部分を介してのみ電気的に相互に接続されていることを意味している。ここでさらに殊に、異なるセグメントラインないしはその電極−電解質−セグメントのアノード領域とカソード領域は電気的におよびイオン的に相互に絶縁され、これによって例えば絶縁が阻止される。さらに有利には異なるセグメントラインおよびその電極−電解質−セグメントの電解質領域は、イオン的におよび電子的にも相互に絶縁される。従って、少なくとも2つのセグメントラインないしはその電極−電解質−セグメントを完全に電子的およびイオン的に相互に絶縁させること、または適切な電気的絶縁体、イオン的絶縁体または電気かつイオン的絶縁体を、必要な箇所にのみ設けることができる。電気的な絶縁は本発明の範囲においては殊に、この領域において導電性が存在していないまたは非本質的な導電性しか存在していないということを意味している。ここでイオン的な絶縁とは本発明の範囲において殊に、この領域においてイオン伝導性が存在していない、または非本質的なイオン伝導性しか存在していないということを意味している。   In order to eliminate unwanted effects between at least two segment lines, the segment lines themselves can further be at least partially electrically isolated from one another. “Partially insulated from one another” means, in particular, within the framework of the invention, that the individual segment lines are only electrically connected to one another only via the intended electrical connection, for example a connection part. It means that More particularly here, the anode and cathode regions of the different segment lines or their electrode-electrolyte-segments are electrically and ionically isolated from each other, for example, thereby preventing insulation. More preferably, the different segment lines and their electrode-electrolyte-segment electrolyte regions are also isolated from one another both ionically and electronically. Thus, at least two segment lines or their electrode-electrolyte-segments are completely electronically and ionically isolated from each other, or suitable electrical insulators, ionic insulators or electrical and ionic insulators, It can be provided only where necessary. Electrical insulation means in the scope of the invention in particular that there is no electrical conductivity in this region or only a non-essential electrical conductivity. In this context, ionic insulation means, in particular, that no ionic conductivity exists in this region, or that only non-essential ionic conductivity exists.

本発明ではさらに、機能部が管状に形成されており、これによって管状ないしはチューブ状の燃料電池が形成される。ここで管状の機能部とは殊に、実質的に円形、例えば環状、楕円または多角形の基底面を備えた中空円筒状の体のことである。この機能部はさらにそれ自体で既に、適切な安定性を有している。従って担体を設ける必要はない。このようにして、製造方法を特に簡単かつ低コストにすることができる。ここで管状機能部は自身の安定性を、1つまたは2つの電極によって、および/または電解質によって得ることができる。換言すれば、機能部は電極によって担われ得る、または電解質によって担われ得る。しかし基本的に、本発明においては、機能部の非自力サポート構成も可能である。   In the present invention, the functional part is further formed in a tubular shape, whereby a tubular or tubular fuel cell is formed. The tubular functional part here is in particular a hollow cylindrical body with a substantially circular, for example annular, elliptical or polygonal base. Furthermore, this functional part already has adequate stability. Therefore, there is no need to provide a carrier. In this way, the manufacturing method can be made particularly simple and low cost. Here, the tubular function can obtain its stability by one or two electrodes and / or by an electrolyte. In other words, the functional part can be carried by the electrode or can be carried by the electrolyte. However, basically, in the present invention, a non-self-supporting configuration of the functional unit is also possible.

本発明の燃料電池はさらに、異なるセグメントライン内に配置されている少なくとも2つの電極−電解質−セグメントの特に有利な電気的な接続を有している。詳細には、本発明では、異なるセグメントライン内に配置されている少なくとも2つの電極−電解質−セグメントは、アノードの材料から、またはカソードの材料から形成されている接続部分を介して電気的に相互に接続されている。ここでこの電気的な接続は、本発明の範囲内では例えば、アノードまたはカソードと1つの部分として構成されている接続部分によって実現される。これによって、この接続部分はアノードまたはカソードの一部として形成される。または相応の電極が、この接続部分と導電性接続される。接続部分はここで殊に、次のような領域である。すなわち、アノード材料ないしはカソード材料から形成されているのにも係わらず、電気的エネルギーの生成に寄与せず、または実質的に寄与せず、主要タスクとして、2つの電極−電解質−セグメントの電気的な接続を有している領域である。例えば、相応する領域が補完的な領域に対して対向して配置されておらず、すなわち例えばアノード材料に直接的に隣接してカソード材料が設けられていない、またはその逆のことから本発明において上記のことが読み取れる。または例えば接続部分の領域において、カソード材料と比べて、アノード材料の表面および/または体積がより大きいこと、またはその逆のことから、本発明において上記のことが読み取れる。上述した電気的な接続によって、ここでは殊に少なくとも2つのセグメントラインの直列接続が実現される。   The fuel cell of the present invention further has a particularly advantageous electrical connection of at least two electrode-electrolyte-segments arranged in different segment lines. In particular, in the present invention, at least two electrode-electrolyte-segments arranged in different segment lines are electrically connected to each other via a connection formed from an anode material or from a cathode material. It is connected to the. Here, this electrical connection is realized within the scope of the invention, for example, by a connection part configured as one part with the anode or the cathode. Thereby, this connecting part is formed as part of the anode or cathode. Or a corresponding electrode is conductively connected to this connection. Here, in particular, the connection area is the following area. That is, although it is formed from an anode or cathode material, it does not contribute or substantially contribute to the generation of electrical energy, and the main task is to electrically connect the two electrodes-electrolytes-segments. This is a region having a good connection. For example, in the present invention, the corresponding region is not disposed opposite the complementary region, i.e., for example, the cathode material is not provided directly adjacent to the anode material, or vice versa. The above can be read. Or, for example, in the region of the connecting portion, the above can be read in the present invention from the fact that the surface and / or volume of the anode material is larger compared to the cathode material and vice versa. Here, in particular, a series connection of at least two segment lines is realized here.

ここでこの電気的な接続は、特別は電極材料に制限されない。本発明ではむしろ、2つの電極−電解質ユニットを電気的に相互に接続する電気的な接続部は、それによって、接続されるべき2つの電極−電解質ユニットの少なくとも1つの電極が形成される材料ないしは物質または混合物質から形成される。   Here, the electrical connection is not particularly limited to the electrode material. Rather, in the present invention, the electrical connection that electrically connects the two electrode-electrolyte units to each other is the material or the material from which at least one electrode of the two electrode-electrolyte units to be connected is formed. Formed from substance or mixed substance.

アノード材料はここで例えば、気体透過性または気体不透過性である。ここでこの気体透過性は、アノード材料の適切な多孔性を調整することによって調節される。アノード材料としては殊に、導電性でありかつイオン伝導性である材料が適している。イオン伝導性であるアノード材料の利点は、二次元反応空間の形成にある。これによって、アノード材料の表面全体上で反応が生じ、この反応が三相界面に制限されることがない。アノードを形成する、ないしはアノードが含み得る、導電性でありかつイオン非伝導性の材料の例は、例えばニッケルである。アノードを形成する、ないしはアノードが含み得る、導電性でありかつイオン伝導性の材料の例は、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)と混合されたニッケルである。   The anode material here is, for example, gas permeable or gas impermeable. Here, this gas permeability is adjusted by adjusting the appropriate porosity of the anode material. Particularly suitable anode materials are materials that are both conductive and ionically conductive. The advantage of an anode material that is ion-conductive is the formation of a two-dimensional reaction space. This causes a reaction on the entire surface of the anode material and this reaction is not limited to a three-phase interface. An example of a conductive and ion non-conductive material that forms or can be included in the anode is, for example, nickel. An example of a conductive and ionically conductive material that forms or can include the anode is, for example, nickel mixed with yttria stabilized zirconia (YSZ).

カソード材料はここで例えば、気体透過性または気体不透過性である。ここでこの気体透過性は、カソード材料の適切な多孔性を調整することによって調節される。カソード材料としては殊に、導電性でありかつイオン伝導性である材料が適している。イオン伝導性のカソード材料の利点は、二次元反応空間の形成にある。これによって、カソード材料の表面全体上で反応が生じ、この反応が三相界面に制限されることがない。カソードを形成する、ないしはカソードが含み得る、導電性でありかつイオン非伝導性の材料の例は、例えばランタンストロンチウムマンガナイト(LaSrMn,LSM)である。カソードを形成する、ないしはカソードが含み得る、導電性でありかつイオン伝導性の材料の例は、例えばランタンストロンチウムコバルトフェライト(LSCF)である。   The cathode material here is, for example, gas permeable or gas impermeable. Here, this gas permeability is adjusted by adjusting the appropriate porosity of the cathode material. Particularly suitable as the cathode material is a material that is both conductive and ionically conductive. The advantage of the ion conductive cathode material is the formation of a two-dimensional reaction space. This causes a reaction on the entire surface of the cathode material and this reaction is not limited to a three-phase interface. An example of a conductive and non-ionically conductive material that forms or can be included in the cathode is, for example, lanthanum strontium manganite (LaSrMn, LSM). An example of a conductive and ionically conductive material that forms or can be included in the cathode is, for example, lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF).

アノード材料ないしはカソード材料からの接続部分の形成はここでは殊に次のことを意味している。すなわち、接続部分が相応の化学材料ないしは物質または混合物質から形成されることを意味している。多孔性、すなわち殊に気体透過性は例えばここで、アノード材料またはカソード材料を電極として使用する場合と、接続部分として使用する場合とで異なり得る。   The formation of the connecting part from the anode material or the cathode material here means in particular: This means that the connecting part is formed from a corresponding chemical material, substance or mixture. The porosity, in particular the gas permeability, can be different here, for example, when the anode or cathode material is used as an electrode and when used as a connection.

本発明では、例えばアノードと接続部分との間に、またはカソードと接続部分との間に、別の電気的接続ユニットが配置されることは排除されていない。後者の場合には、相応する電極−電解質−セグメントは間接的に、接続部分によって相互に接続される。   In the present invention, it is not excluded that another electrical connection unit is arranged, for example, between the anode and the connection part or between the cathode and the connection part. In the latter case, the corresponding electrode-electrolyte-segments are indirectly connected to each other by connecting parts.

2つの電極−電解質セグメントを上述したように電気的に接続することによって、本発明による燃料電池内の電流案内ないしは電流の流れが、従来の燃料電池に比べて格段に改善される。アノード材料またはカソード材料が、アノード機能に加えて、2つの電極−電解質−セグメントを電気的に接続するにために用いられることによって、ひいては実質的に電流コレクタの機能を担うことによって、電流の流れが、多くの場合にコストのかかる電流コレクタを設けることなく実現される。さらに、特に容易な製造方法が、例えば印刷プロセスによって実現される。ここでこの電気的な接続は、電極材料の被着を伴うステップにおいて、例えば印刷プロセスの間に行われる。   By electrically connecting the two electrode-electrolyte segments as described above, the current guide or current flow in the fuel cell according to the present invention is significantly improved compared to conventional fuel cells. The anode material or cathode material is used to electrically connect the two electrode-electrolyte-segments in addition to the anode function, and thus by taking on substantially the function of a current collector, thereby allowing current flow. However, it is often achieved without providing a costly current collector. Furthermore, a particularly easy manufacturing method is realized, for example, by a printing process. This electrical connection is here made in a step involving the deposition of electrode material, for example during the printing process.

さらに、熱機械的な問題が、比較的簡単な幾何学的形状および、種々の材料の低減された境界層によって低減される、または完全に阻止される。   Moreover, thermomechanical problems are reduced or completely prevented by relatively simple geometries and a reduced boundary layer of various materials.

ある実施形態では、少なくとも2つのセグメントラインが、管状機能部の軸に関して、軸方向に配向され、管状機能部の軸に関して軸方向に延在する気密性の接合箇所によって少なくとも部分的にイオン的におよび電気的に相互に絶縁される。この形態においては、チューブに沿った機能層ないしは機能部の分割が実現され、これによって実質的に2つのハーフチューブが生じる。従って殊に、平行な電流の流れ方向が各セグメントラインにおいて得られる。この平行な電流の流れ方向は本発明では、殊に軸方向の電流コレクタを設けなくても、軸方向に延在する。従ってこの構成において、殊に、管状機能部の軸方向に沿って延在する電流方向が実現される。ここで本発明の燃料電池は、電流が流れる経路が短いので特に適している。   In some embodiments, the at least two segment lines are at least partially ionized by an airtight joint that is axially oriented with respect to the axis of the tubular feature and extends axially with respect to the axis of the tubular feature. And electrically isolated from each other. In this form, the division of the functional layer or the functional part along the tube is realized, so that substantially two half tubes are produced. In particular, a parallel current flow direction is thus obtained in each segment line. This parallel current flow direction extends in the axial direction in the present invention, in particular without an axial current collector. Therefore, in this configuration, in particular, a current direction extending along the axial direction of the tubular functional part is realized. Here, the fuel cell of the present invention is particularly suitable because the path through which current flows is short.

ここで電流が流れる方向は、少なくとも2つのセグメントラインにおいて、殊に相互に逆流している。この構成では電流は殊に一方のハーフチューブを上方へ案内されるないしは流れ、他方のハーフチューブを下方へ案内されるないしは流れる。このようにして殊に、本発明の複数の燃料電池の電気的な接続が容易になる。これは、用途範囲をさらに広げる。従ってこの形態では、接続部分の位置付けはさらに、幅広い領域で選択可能である。従って、本発明の燃料電池の構造において大きい自由度が生じる。   Here, the directions in which the currents flow are mutually reversed in at least two segment lines. In this configuration, the current is guided or flows particularly upward in one half tube and is guided or flows downward in the other half tube. In this way, in particular, the electrical connection of the fuel cells according to the invention is facilitated. This further expands the application range. Therefore, in this embodiment, the positioning of the connection portion can be selected in a wider area. Therefore, a great degree of freedom occurs in the structure of the fuel cell of the present invention.

別の形態では、異なるセグメントラインの間の電気的な接続部は、接続部分の他に、コネクタを含んでいる、および/または同じセグメントラインの一つの電極−電解質−セグメントのアノードは、別の電極−電解質−セグメントのカソードと、コネクタによって電気的に接続される。このようなコネクタは極めて小さい寸法に保たれ、空間的に制限された接続部のみを形成する。これによって、本発明による燃料電池の製造時のコストが節約される。実現可能なコスト節約はさらに次のことによって拡大される。すなわち、電極−電解質−セグメントが、アノード、カソード、電解質および接続素子としてのコネクタのみから成ることによって拡大される。このようにして、さらなる部材が省かれる。しかも、本発明による燃料電池の能力が低減されることはない。さらに、必要とされる部材を削減することによって、製造方法がより簡単になる。従って、異なるセグメントラインの電極−電解質−セグメントの接続の第1の場合には、コネクタは、アノード材料またはカソード材料から形成される接続部分の他の、付加的な部材として用いられる。これは例えば直列接続を実現する。同じセグメントラインの複数の電極−電解質−セグメントを接続する場合には、コネクタはこれに対して、唯一の部材として、相応する電極−電解質ユニットを直列接続するために用いられる。ここでコネクタは特に有利には同じ構造を有する。これによって製造方法が特に容易になる。   In another form, the electrical connections between the different segment lines include connectors in addition to the connection portions, and / or one electrode-electrolyte-segment anode of the same segment line is another The electrode-electrolyte-segment cathode is electrically connected by a connector. Such connectors are kept very small in size and form only spatially limited connections. This saves costs when manufacturing the fuel cell according to the invention. The achievable cost savings are further expanded by: That is, the electrode-electrolyte-segment is expanded by only comprising an anode, a cathode, an electrolyte, and a connector as a connecting element. In this way, further components are omitted. Moreover, the capacity of the fuel cell according to the present invention is not reduced. Furthermore, the manufacturing method becomes simpler by reducing the number of members required. Thus, in the first case of electrode-electrolyte-segment connection of different segment lines, the connector is used as an additional member of the connection part formed from the anode material or the cathode material. This realizes, for example, a series connection. In the case of connecting a plurality of electrode-electrolyte-segments of the same segment line, the connector is used as a sole member for connecting the corresponding electrode-electrolyte units in series. Here, the connector particularly preferably has the same structure. This makes the manufacturing method particularly easy.

1つないしは複数のコネクタは殊に、導電性かつイオン絶縁性の材料から形成される、またはこの種の材料を含む。さらにコネクタは殊に、気密性の材料から形成される、または気密性の材料を含む。例えば、コネクタは、ランタンクロマイト(LaCro)、酸化亜鉛(ZnO)、白金(Pt)または、イオン非伝導性のアノード材料またはカソード材料から形成される、またはこの材料を含む。 The connector or connectors are in particular formed from or comprise a material that is electrically conductive and ion-insulating. Furthermore, the connector in particular is formed from or contains an airtight material. For example, the connector is formed from or includes lanthanum chromite (LaCro 3 ), zinc oxide (ZnO), platinum (Pt), or an ion non-conductive anode or cathode material.

従って1つないしは複数のコネクタは、導電性材料、例えばアノード材料またはカソード材料から成る。ここでこの材料は気密性であり、かつイオン非伝導性である。このようにして、適切な接続部が、電極−電解質−セグメントの各電極の間に提供される。ここで殊に、電極−電解質−セグメントの相応する電解質の間のイオン接続が、このようにして阻止される。これによって、電極−電解質−セグメントのノイズ流が阻止される。さらに、コネクタがアノード材料またはカソード材料から形成されることによって、特に容易な製造が実現される。ここで、電極−電解質−セグメントの相応する構成部分が適切に、相互にイオン的に絶縁される、なしいは絶縁されたままにされる。気体透過性ないしは気密性はここで例えば、同一の材料ないしは同一の化学物質または混合物質の多孔性を適切に調整することによって実現される。   Accordingly, the connector or connectors are made of a conductive material, such as an anode material or a cathode material. Here this material is hermetic and non-ionic. In this way, suitable connections are provided between each electrode of the electrode-electrolyte-segment. Here in particular, ionic connections between the corresponding electrolytes of the electrode-electrolyte-segment are thus prevented. This prevents the electrode-electrolyte-segment noise flow. Furthermore, a particularly easy manufacture is realized by the connector being formed from an anode material or a cathode material. Here, the corresponding components of the electrode-electrolyte-segment are suitably ionically insulated from one another or left insulated. Gas permeability or gas tightness is here achieved, for example, by appropriately adjusting the porosity of the same material or the same chemical substance or mixed substance.

別の形態では、燃料電池はアノード層、カソード層および電解質層を備えた層集合体を有している。これは、電極−電解質−セグメントないしは燃料電池の機能部を製造するための、特に容易に製造可能な集合体である。詳細には、アノード、カソードおよびこれらの間に配置されている電解質から成る構造体を形成することが可能である。これは問題なく、管状ないしはチューブ状にも設けられる。さらに、従来の製造方法、例えばプリント方法を、本発明の燃料電池を製造するために使用することができる。ここでは適切に、個々の層が隣接して被着されるだけである。ここで場合によっては適切な絶縁部が追加される。   In another form, the fuel cell has a layer assembly comprising an anode layer, a cathode layer, and an electrolyte layer. This is a particularly easily manufacturable assembly for producing electrode-electrolyte-segments or functional parts of fuel cells. In particular, it is possible to form a structure consisting of an anode, a cathode and an electrolyte disposed between them. This can be provided in a tubular or tube form without any problem. Furthermore, conventional manufacturing methods, such as printing methods, can be used to manufacture the fuel cell of the present invention. Here, suitably, the individual layers are only deposited adjacently. Here, depending on the case, an appropriate insulating part is added.

別の形態では、アノード層内にはアノード領域が形成される。これは、電極−電解質−セグメントのアノードを形成する。ここで1つのアノード領域は、別のアノード領域から、電気的絶縁性かつイオン的絶縁性の領域によって分断される。   In another form, an anode region is formed in the anode layer. This forms the anode of the electrode-electrolyte-segment. Here, one anode region is separated from another anode region by an electrically insulating and ionic insulating region.

別の形態では、カソード層内にカソード領域が形成される。このカソード領域は、電極−電解質−セグメントのカソードを形成する。ここで1つのカソード領域は、別のカソード領域から、電気的絶縁性かつイオン的絶縁性の領域によって分断される。   In another form, a cathode region is formed in the cathode layer. This cathode region forms the cathode of the electrode-electrolyte-segment. Here, one cathode region is separated from another cathode region by an electrically insulating and ionic insulating region.

別の形態では、電解質層内に電解質領域が形成される。この電解質領域は、電極−電解質−セグメントの電解質を形成する。ここで1つの電解質領域は、同じセグメントライン内に配置された別の電解質領域から、イオン的的絶縁性領域によって分断されている、および/または1つの電解質領域は異なるセグメントライン内に配置されている電解質領域の別の電解質領域から、電気的かつイオン的絶縁性の、気密性の領域によって分断されている。   In another form, an electrolyte region is formed in the electrolyte layer. This electrolyte region forms an electrode-electrolyte-segment electrolyte. Here, one electrolyte region is separated from another electrolyte region located in the same segment line by an ionic insulating region and / or one electrolyte region is located in a different segment line. It is separated from another electrolyte region of the electrolyte region by an electrically and ionically insulating, gas tight region.

この形態では、電極−電解質−セグメントは有利には特に容易に、かつ低コストに製造される。ここでは所望の用途への特に大きい整合性が、殊に個々のアノード領域、カソード領域ないしは電解質領域の数、サイズおよび形状を調整することによって得られる。さらに、このようにして、複雑な構造も簡単な製造方法、例えばプリント方法によって実現される。   In this form, the electrode-electrolyte-segment is advantageously manufactured particularly easily and at low cost. Here, a particularly great consistency for the desired application is obtained, in particular by adjusting the number, size and shape of the individual anode regions, cathode regions or electrolyte regions. Further, in this way, a complicated structure can be realized by a simple manufacturing method, for example, a printing method.

ここで、アノード領域および/またはカソード領域を別個にするための電気絶縁性かつイオン絶縁性の領域が、空気または空気によって満たされた空洞によって形成される、および/または異なるセグメントライン内に配置された電解質領域を別個にするための電気絶縁性かつイオン絶縁性の領域が、固体絶縁体、殊にアルミニウム酸化物によって形成される、および/または同じセグメントライン内に配置された電解質領域を別個にするためのイオン絶縁性領域はさらに導電性であり、かつコネクタによって形成される。空気は一方では良好な電気的絶縁体であり、ここで適切な製造または幾何学的な形状に関する要求を有していない。さらに、部分的にコストのかかる絶縁体を省くことができる。これによって本発明による燃料電池が特に低コストに形成される。さらに例えば、酸化アルミニウムは低コストの絶縁体である。これは電気的な絶縁もイオン的な絶縁も実現する、ないしは所望の電気的およびイオン的な絶縁性を有している。この構成では、イオン的にも電気的にも絶縁性の絶縁体が1つのみ使用される。これによってコストが省かれる。さらに本発明の燃料電池は、固体絶縁体を備えたこの構成においても、上述のように、それ自体公知の製造ステップによって、例えば上述した層構造で容易に製造可能である。イオン絶縁性領域としてのコネクタの使用の際には、この製造はさらに容易になる。なぜなら殊に、いずれにせよ用いられている材料が処理ステップにおいて使用可能であり、さらなる材料および処理ステップが省かれるからである。   Here, electrically and ionically insulating regions for separating the anode and / or cathode regions are formed by air or air filled cavities and / or arranged in different segment lines. The electrically and ionically insulating regions for separating the separated electrolyte regions are formed by solid insulators, in particular aluminum oxide, and / or separated electrolyte regions arranged in the same segment line. The ion-insulating region to be further conductive is formed by the connector. Air, on the one hand, is a good electrical insulator, where it has no requirement for proper manufacturing or geometric shape. Furthermore, a partially costly insulator can be omitted. As a result, the fuel cell according to the present invention is formed at a particularly low cost. Further, for example, aluminum oxide is a low cost insulator. This provides both electrical and ionic insulation or has the desired electrical and ionic insulation. In this configuration, only one insulating material that is ionically and electrically insulative is used. This saves costs. Further, the fuel cell of the present invention can be easily manufactured, for example, with the above-described layer structure, even in this configuration including the solid insulator, by the manufacturing steps known per se as described above. This manufacturing is further facilitated when the connector is used as an ion insulating region. This is because, in particular, the materials used in any case can be used in the processing steps, and further materials and processing steps are omitted.

別の形態では、アノード層内に配置されている、電極−電解質−セグメントのアノード領域と、カソード層内に配置されている、別の電極−電解質−セグメントのカソード領域とが部分的に重なって配置される。ここでこの重畳領域内には、電解質層内のコネクタが配置されている。ここでこのコネクタは殊に、主に電解質層内に構成される、および/またはアノード層および/またはカソード層内に突出しない。このようにして、個々の電極−電解質−セグメントの接続部が特にコンパクトに構成され、これによって空間が節約される。さらにコネクタは例えば、電解質層内にのみ配置される。これによって材料ひいてはコストが節約される。ここでこの構成は有利にはコーティング方法、例えばプリント方法によって、容易に形成される。   In another form, the anode region of the electrode-electrolyte-segment disposed in the anode layer and the cathode region of another electrode-electrolyte-segment disposed in the cathode layer partially overlap. Be placed. Here, the connector in the electrolyte layer is disposed in the overlapping region. Here, in particular, the connector is constructed mainly in the electrolyte layer and / or does not protrude into the anode layer and / or the cathode layer. In this way, the individual electrode-electrolyte-segment connections are constructed in a particularly compact manner, thereby saving space. Furthermore, a connector is arrange | positioned only in an electrolyte layer, for example. This saves material and thus costs. Here, this arrangement is preferably easily formed by a coating method, for example a printing method.

さらに、電極−電解質−セグメントの電極の外面に、アノード材料およびカソード材料とは異なる導電性材料から成る電極を電気的に接触接続させる電流コレクタが被着されていない構成、および/または燃料電池が複数の電極−電解質−セグメントを接続するための長手方向電流コレクタを有していない構成が可能である。これは、機能部の軸に関して軸方向に配置されており、アノード材料およびカソード材料とは異なる導電性材料から形成される。従って本発明の燃料電池は殊に、管軸に関して軸方向の電流コレクタを有していない。これによって本発明による短い電流ガイド経路が実現可能であり、本発明の燃料電池の製造方法はより容易にかつ低コストになる。電流コレクタを接続するおよび接触接続する、コストのかかる特別なステップの一部を省くことができる。さらに電流コレクタの材料を省くことができ、これは特に有利である。なぜなら、1つまたは複数のこの電流コレクタの材料に高い要求が課せられるからである。本発明ではむしろ電流は、アノード、カソード、電解質およびコネクタを含んでいる、またはこれらからなる集合体を通って流れる。   Further, a configuration in which a current collector for electrically contacting and connecting an electrode made of a conductive material different from the anode material and the cathode material is not attached to the outer surface of the electrode of the electrode-electrolyte-segment, and / or the fuel cell is provided. A configuration without a longitudinal current collector for connecting a plurality of electrode-electrolyte-segments is possible. It is arranged axially with respect to the axis of the functional part and is made of a conductive material different from the anode material and the cathode material. The fuel cell according to the invention therefore does not have an axial current collector, in particular with respect to the tube axis. As a result, a short current guide path according to the present invention can be realized, and the fuel cell manufacturing method of the present invention becomes easier and less expensive. Some of the costly extra steps of connecting the current collector and connecting the contacts can be omitted. Furthermore, the material of the current collector can be omitted, which is particularly advantageous. This is because high demands are placed on the material of this current collector or collectors. Rather, in the present invention, current flows through an assembly that includes or consists of an anode, a cathode, an electrolyte, and a connector.

別の形態では、機能部は片側で閉鎖されているチューブとして形成される。この形態では、燃料側と空気側との適切な分断が実現される。ここで特に有利な形状では、燃料側はチューブの内側に形成されている。殊に、一端で閉鎖されたチューブが自身の開放された側で担体基板上に配置されている場合には、容易に、外側ないしは空気側に沿って空気が流れる。これに対して内側ないしは燃料側に沿って例えば水素が流れる。これによって、潜在的に安全に関してクリチカルな物質、例えば水素を燃料として使用する場合でも、危険が低減される、むしろ完全に排除される。ここでこのチューブは機能部自体によっても、または別の材料、例えばガラスによっても封鎖可能である。   In another form, the functional part is formed as a tube closed on one side. In this embodiment, appropriate separation between the fuel side and the air side is realized. In a particularly advantageous shape here, the fuel side is formed inside the tube. In particular, if the tube closed at one end is arranged on the carrier substrate on its open side, air easily flows along the outside or air side. On the other hand, for example, hydrogen flows along the inner side or the fuel side. This reduces the risk, even if it uses a potentially safe critical material, such as hydrogen, as a fuel, but rather eliminates it completely. Here, the tube can be sealed either by the functional part itself or by another material, for example glass.

別の形態では、機能部は管状の担体上に配置される。これによって、燃料電池の安定性がさらに改善される。この場合には、電極材料および電解質材料ないしはその厚さおよび構成に関する大きい可変性が得られる。燃料電池ないしはチューブのこの安定性はここで殊に、担体に基づいている。担体は例えば、1つの、殊に不活性の、セラミック材料および/またはガラス材料を含むことができる、またはこれから形成される。本発明では不活性材料は、殊に、例えば電解質のイオンガイドによる電気化学的な反応に参加しない材料、および/または電極として用いられない材料である。この場合には、燃料電池はインターサポート式燃料電池とも称される。担体の材料は殊にイオン絶縁性であり、殊にイオン絶縁性かつ電気絶縁性である。   In another form, the functional part is arranged on a tubular carrier. This further improves the stability of the fuel cell. In this case, great variability with respect to the electrode material and electrolyte material or its thickness and configuration is obtained. This stability of the fuel cell or tube is here particularly based on the support. The support can for example comprise or be formed from one, in particular inert, ceramic material and / or glass material. In the context of the present invention, inert materials are in particular materials that do not participate in electrochemical reactions, for example by ion guides of electrolytes, and / or materials that are not used as electrodes. In this case, the fuel cell is also referred to as an inter-support fuel cell. The material of the carrier is in particular ion-insulating, in particular ion-insulating and electrically insulating.

殊に担体はマグネシウムかんらん石(MgSiO)、殊に、フォルステライトを含んでいる、またはこれから形成される。 In particular, the support contains or is formed from magnesium olivine (Mg 2 SiO 4 ), in particular forsterite.

管状担体上の機能部の配置は本発明の枠内では、機能部が担体内で、ないしは担体の内側で、および/または担体外でないしは担体の外側で、殊に、これに接して配置されることを意味している。殊に、機能部のカソード層は、担体に接している。機能部のアノード層はここで殊に、担体の内側空間ないし外側からアクセス可能である。   The arrangement of the functional parts on the tubular carrier is arranged within the framework of the invention, in which the functional parts are arranged in the carrier or inside the carrier and / or outside or outside the carrier, in particular in contact with it. It means that. In particular, the cathode layer of the functional part is in contact with the carrier. The anode layer of the functional part here is in particular accessible from the inner space or the outer side of the carrier.

担体は殊に、機能部に接している1つまたは複数の部分おいて気体を通す細孔および/または開口部、殊に細孔を有している。1つ/複数の電極−電解質−セグメントが設けられていない、ないしは機能部によって覆われていない、1つまたは複数の部分において、担体は殊に気密性に形成される。   In particular, the carrier has pores and / or openings, in particular pores, through which the gas passes in one or more parts in contact with the functional part. In one or more parts that are not provided with one or more electrode-electrolyte-segments or are not covered by a functional part, the carrier is formed in a particularly gastight manner.

例えば、担体は少なくとも1つの開放されている管終端部で、殊に片側または両側で開放されている管終端部で、担体基板に燃料電池を固定するための基部を有している。これは、取り付けフランジないしは気体接続フランジとも称される。ここでは殊に基部は気密性に構成される。   For example, the carrier has at least one open tube end, in particular a tube end open on one or both sides, and has a base for fixing the fuel cell to the support substrate. This is also referred to as a mounting flange or a gas connection flange. Here, in particular, the base is configured to be airtight.

これに対して付加的に、殊に、開放されている管終端部が基部として形成されている場合には、担体は一方(他方)の管終端部で、キャップ部分によって封鎖される。ここでこのキャップ部分は殊に気密性に形成される。   In addition to this, in particular when the open tube end is formed as a base, the carrier is sealed off by the cap part at one (other) tube end. Here, the cap part is formed in a particularly gastight manner.

この場合には、例えば中空円筒状の壁部を伴った、材料フォルステライトからの例えばチューブ状の担体の製造は、高多孔性の領域を生じさせる。底面側では例えば、取り付けフランジとも称される基部が担体に配置される。頂上側では、チューブキャップとも称される気密性に形成されたキャップ部分が、担体の気密性封鎖のために配置される。この機能部は、管の内側で、多孔性の領域の高さに位置付けされる。担体はこの形態において、機能層ないしは機能部に対する、いわゆる電気化学的に不活性の担体として機能する。なぜなら、この材料は電気化学的な反応に関与しないからである。これによって、極めて薄い層が実現される。これは、個々の機能領域の材料の節約を意味する。これによって殊にコストを省くことができる。この担体に基づいて、機能部はこの形態において、より少ないシステムで層厚に製造される。殊にここでは電解質層の層厚が低減される。例えば、電解質層は10μm以上20μm以下の範囲の層厚、例えば15μmの層厚を有する。これによって継続動作温度は約750℃にしかならない。   In this case, the production of, for example, a tubular carrier from the material forsterite, for example with a hollow cylindrical wall, results in a highly porous region. On the bottom side, for example, a base, also called a mounting flange, is arranged on the carrier. On the top side, an airtightly formed cap portion, also called a tube cap, is arranged for the airtight sealing of the carrier. This functional part is positioned at the height of the porous region inside the tube. In this form, the carrier functions as a so-called electrochemically inert carrier for the functional layer or functional part. This is because this material does not participate in electrochemical reactions. This achieves a very thin layer. This means a saving of material in the individual functional areas. This saves in particular costs. Based on this carrier, the functional part is produced in this form in a layer thickness with fewer systems. In particular, the layer thickness of the electrolyte layer is reduced here. For example, the electrolyte layer has a layer thickness in the range of 10 μm to 20 μm, for example, 15 μm. This results in a continuous operating temperature of only about 750 ° C.

動作開始のために、燃焼ガスがチューブ内ないしは担体内へと案内され、そこでアノードに当たる。反応相手である空気は、多孔性の担体、殊にフォルステライトチューブを通ってカソードに達する。このコンセプトでは、機能部の全ての機能層が燃焼ガス側に位置する。   To start operation, the combustion gas is guided into the tube or carrier where it hits the anode. The reaction partner air reaches the cathode through a porous support, in particular a forsterite tube. In this concept, all functional layers of the functional part are located on the combustion gas side.

この機能部は例えば、フィルムバック射出成形方法を介して直接的に、射出成形プロセスの間に、例えばフォルステライトから成る担体基体と接続される、ないしは担体基体に固定される。従って製造ステップを省くことができる。   This functional part is, for example, directly connected via a film back injection molding method or connected to a carrier substrate made of forsterite, for example, or fixed to the carrier substrate during the injection molding process. Therefore, the manufacturing step can be omitted.

フォルステライトは有利には、1011Ωm(20℃)および10Ωm(600℃)の特定の抵抗によって、電気的に高絶縁性である。従って、機能部構成時には、電気的な短絡またはイオン的な短絡は予期されず、付加的な絶縁層を省くことができる。 Forsterite is advantageously electrically highly insulating, with specific resistances of 10 11 Ωm (20 ° C.) and 10 5 Ωm (600 ° C.). Therefore, when the functional unit is configured, an electrical short circuit or an ionic short circuit is not expected, and an additional insulating layer can be omitted.

フォルステライトはさらに、機能部材料に、焼成挙動、例えば収縮または焼成動態に関して、および熱による伸長特性(約10−1110−6−1)に関して合わせられる。これによって、化合物全体の同時焼成が可能になる。従って、通常必要とされる2つの焼成ステップの代わりに、1つの焼成ステップのみが、セルを製造するために必要とされる。これによって、さらなるコスト節約がもたらされる。 Forsterite is further tailored to the functional material in terms of firing behavior, such as shrinkage or firing kinetics, and in terms of thermal elongation properties (about 10-11 * 10-6 K- 1 ). This allows simultaneous firing of the entire compound. Thus, instead of the two firing steps normally required, only one firing step is required to produce the cell. This provides further cost savings.

高純度のフォルステライトはさらに、反応焼成を介して、タルクおよび1つまたは複数のマグネシウム化合物、殊にマグネシウム塩類(例えばマグネシウム酸化物)から生成され、これによって、セル製造時のコスト節約に寄与する。   High-purity forsterite is further produced from talc and one or more magnesium compounds, in particular magnesium salts (eg magnesium oxide), via reaction calcination, thereby contributing to cost savings in cell production. .

詳細には担体を製造するためにフォルステライトがまずは反応焼成を介して、タルク(MgSi10(OH))とマグネシウム化合物、例えばマグネシウム酸化物(MgO)から、以下の反応に従って得られる:
MgSi10(OH)+5MgO→4MgSiO+H
これは殊に、高エネルギー粉砕における2つの原材料コンポーネントの共通粉砕プロセスを介して共に実現される。これによって例えば4μm以下、殊に3μm以下の粒径を、無傷のフォルステライトを形成するためおよび後続の同時焼成を可能にするために、調整される。フォルステライト形成はここで殊に、粉砕材料のか焼によって行われる。これによって原材料が有利には、射出成形コンポーネントへ処理される。
In detail, forsterite is first obtained from talc (Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 ) and a magnesium compound, for example magnesium oxide (MgO), according to the following reaction, in order to produce a support. Is:
Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 + 5MgO → 4Mg 2 SiO 4 + H 2 O
This is achieved in particular through a common grinding process of the two raw material components in high energy grinding. Thereby, for example, particle sizes of 4 μm or less, in particular 3 μm or less, are adjusted in order to form intact forsterite and to allow subsequent co-firing. Forsterite formation takes place here in particular by calcination of the ground material. This advantageously allows the raw material to be processed into injection molded components.

同時焼成の間にカソードと化学反応を起こし、機能損失を生じさせる恐れがある自由SiOの形成を回避するために、有利には、殊に0.25%以上0.75%以下、例えば0.5%の、化学量論比より高い物質量比のマグネシウム酸化物が調整される。マグネシウム酸化物の他に、別のマグネシウム原材料、例えば水酸化マグネシウム(Mg(OH))および/または炭酸マグネシウム(MgCO)も使用可能である。このか焼によって、タルクの鉱物的プレート構造が破壊され、フォルステライトへの再生が開始される。これによって生じる、例えば球状の粒子形状によって、コンポーネントにおける可変の固体含有量が可能になる。これによって、機能部への収縮のマッチングが可能になる。気密性の担体部分を製造するために、気密性焼成(射出成形)コンポーネント(コンパウンド)が使用される。これは有機成分、結合剤および/または可塑剤、殊に25体積%以上75体積%以下、例えば56体積%のフォルステライト成分を含有し得る。多孔性の担体部分を製造するために、これに対して、多孔性焼成(射出成形)コンポーネントを使用することができる。これには1つまたは複数の、殊に有機の細孔形成剤が混ぜられる。これは、成形後の熱プロセスの間、セラミックインジェクションモールディング(CIM)によって焼かれ、浸透中空空間が残る。 In order to avoid the formation of free SiO 2 , which can cause chemical reactions with the cathode during cofiring and cause functional loss, it is particularly advantageous for 0.25% to 0.75%, for example 0%. A magnesium oxide with a mass ratio higher than the stoichiometric ratio of 0.5% is adjusted. In addition to magnesium oxide, other magnesium raw materials such as magnesium hydroxide (Mg (OH) 2 ) and / or magnesium carbonate (MgCO 3 ) can also be used. This calcination destroys the mineral plate structure of talc and initiates regeneration into forsterite. The resulting, for example, spherical particle shape allows a variable solids content in the component. As a result, the contraction of the contraction to the functional unit can be performed. In order to produce a hermetic carrier part, hermetic fired (injection molded) components (compounds) are used. This may contain organic components, binders and / or plasticizers, in particular 25% to 75% by volume, for example 56% by volume of forsterite component. In contrast to this, porous fired (injection molded) components can be used to produce a porous carrier part. This is admixed with one or more, in particular organic pore formers. This is baked by ceramic injection molding (CIM) during the post-molding thermal process, leaving an infiltration hollow space.

細孔形成剤は例えば、100μm×10μm以上300μm×30μm以下のサイズ、例えば200μm×20μmのサイズを有するフェノール樹脂−短繊維を含む。従って有利には、2.5μm以上7.5μm以下であり、例えば5μmの通過区分を備えた浸透細孔網目が得られる。このような細孔通過区分に基づいて、自由な気体拡散が、殊にクヌーセン作用無く実現される。別の繊維状細孔形成剤は、セルロースである。しかし澱粉、熱硬化性粉末またはガラス状炭素から成る球面細孔形成剤も可能である。   The pore forming agent includes, for example, a phenol resin-short fiber having a size of 100 μm × 10 μm to 300 μm × 30 μm, for example, a size of 200 μm × 20 μm. Therefore, advantageously, an infiltration pore network with a passage section of 2.5 μm to 7.5 μm, for example 5 μm, is obtained. Based on such a pore passage section, free gas diffusion is achieved in particular without Knudsen action. Another fibrous pore former is cellulose. However, spherical pore formers made of starch, thermosetting powder or glassy carbon are also possible.

結合体全体の形成は、複数のコンポーネントを射出成形することを介して行われる。ここではまず、多孔性の焼成コンポーネントが、幾何学形状的に定められた管に形成される。このステップでは、事前に機能部(インモールドラベル)が工具内に入れられる、次に、多孔性焼成コンポーネントが流される。ここで機能部とコンポーネントとの密接な接続が行われる。次に第2のステップでは、密閉に焼成するコンポーネントのキャップ部分および/または1つまたは複数の基部が射出成形される。熱プロセスまたは後続の動作中の、亀裂等の形の2つの材料の分離を回避するために、有利には形状による接続プロファイルが、2つの材料の接続領域内に設けられる。これは問題なく、セラミック射出成形を用いて実現される。波状または溝とサネを用いたプロファイルがある。しかし自由に構造化可能なアンダーカットも可能である。このようにして射出成形プロセス後に、セルに機能層が組み込まれる。   The formation of the entire combined body is performed through injection molding of a plurality of components. Here, first, a porous fired component is formed into a geometrically defined tube. In this step, the functional part (in-mold label) is placed in the tool in advance, and then the porous fired component is flowed. Here, the functional unit and the component are closely connected. Next, in a second step, the cap portion and / or one or more bases of the component to be hermetically fired are injection molded. In order to avoid separation of the two materials in the form of cracks, etc. during the thermal process or subsequent operation, a connection profile according to shape is advantageously provided in the connection region of the two materials. This is achieved without problems using ceramic injection molding. There are wavy or profiles using grooves and sun. However, undercutting that can be freely structured is also possible. In this way, the functional layer is incorporated into the cell after the injection molding process.

これに続くチューブ全体の解放および同時焼成が、1200℃以下の温度で行われる。ここではまずは全ての有機コンポーネントが、射出成形体および機能層から分離され、所望の多孔性が担体内で調整される。その後に、材料のセラミック化が行われる。全てのコンポーネントを完全に焼成するために、少なくとも5時間の硬化時間が有利である。   Subsequent release and co-firing of the entire tube is performed at a temperature of 1200 ° C. or lower. Here, first all organic components are separated from the injection molded body and the functional layer, and the desired porosity is adjusted in the carrier. Thereafter, the material is ceramicized. A curing time of at least 5 hours is advantageous in order to completely fire all components.

択一的にまたはこれに対して付加的に、まずは、多孔性焼成コンポーネントから製造された部分が、気密性材料によって封鎖される。これに対して択一的または付加的に担体、殊にキャップ部分が次のように形成される。すなわち、ガス供給筒の安定化のためのガイドエレメントが存在するように形成される。対向する側に、基部が形成される。これは気密性材料の付加的な密閉無しに、気密性の接続を可能にする。ここでチューブ管全体が同時焼成される。   As an alternative or in addition to this, first the part produced from the porous fired component is sealed with an airtight material. As an alternative or in addition, the carrier, in particular the cap part, is formed as follows. That is, the guide element for stabilizing the gas supply cylinder is formed. A base is formed on the opposite side. This allows an airtight connection without additional sealing of the airtight material. Here, the entire tube tube is fired simultaneously.

別の形態では、接続部分は機能部の終端部分に配置される。これによって、セグメントラインは殊に、燃料電池の軸方向長手全体にわたって延在し、ヘッドエンドにおいてのみ、殊に直列接続によって相互に接続される。この形態において、殊に複数のセグメントライン内で電流の流れが反対の場合には、特に有利には、燃料電池の全長ないしは全軸方向表面が利用され、これによって、燃料電池から供給される出力が最大化される。   In another form, the connecting portion is disposed at the terminal portion of the functional unit. Thereby, the segment lines in particular extend over the entire axial length of the fuel cell and are interconnected only at the head end, in particular by a series connection. In this configuration, particularly when the current flow is opposite in the plurality of segment lines, the full length or the entire axial surface of the fuel cell is preferably utilized, whereby the power supplied from the fuel cell is increased. Is maximized.

接続部分が環状導体として形成されている場合には、抵抗降下は接続部分において最小化される。なぜならこれは大きい線路断面によって構成されているからである。さらに、環状導体は殊に管状ないしはチューブ状の機能部の場合には、問題無くこの中に組み込み可能である。これは殊に、上述した層構造の場合である。接続部分ないしは環状導体がカソード材料またはアノード材料から形成されることによって、これらは容易に、アノード領域ないしはカソード領域の形成時に形成され、例えば層構造内に組み込まれる。これによって、本発明の燃料電池の製造がさらに容易になる。   If the connecting part is formed as an annular conductor, the resistance drop is minimized at the connecting part. This is because it is constituted by a large track section. Furthermore, the annular conductor can be incorporated in the tubular or tubular functional part without any problem. This is especially the case with the layer structure described above. By forming the connecting part or the annular conductor from a cathode material or an anode material, these are easily formed during the formation of the anode region or the cathode region, for example incorporated into a layer structure. This further facilitates the production of the fuel cell of the present invention.

本発明はさらに燃料電池システムに関する。これは少なくとも1つの、本発明による燃料電池を含んでいる。ここで少なくとも1つの燃料電池は有利には、担体基板上に配置される。この構成では燃料電池システムは殊に、複数の燃料電池を有している。燃料電池の種々の形態を介して、殊に、燃料電池システムの所望のパワー特性が調整される。これは用途の大きい可変性を可能にする。担体基板は例えば、不活性材料から形成される。さらに担体基板は例えば底面プレートを形成する。   The invention further relates to a fuel cell system. This includes at least one fuel cell according to the invention. Here, the at least one fuel cell is advantageously arranged on a carrier substrate. In this configuration, the fuel cell system in particular has a plurality of fuel cells. Through various forms of fuel cells, in particular, the desired power characteristics of the fuel cell system are adjusted. This allows for great variability in application. The carrier substrate is formed, for example, from an inert material. Furthermore, the carrier substrate forms, for example, a bottom plate.

本発明による対象のさらなる利点及び好ましい実施態様は、図面によって説明され、また以下の記述において解説される。ただし図面は説明するためだけのものであり、本発明を何らかの形で限定することを意図したものではないことに留意されたい。   Further advantages and preferred embodiments of the object according to the invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted, however, that the drawings are for illustrative purposes only and are not intended to limit the invention in any way.

本発明による燃料電池の実施形態の概略図Schematic of an embodiment of a fuel cell according to the invention 本発明による燃料電池システムの実施形態の層構造を示す概略図Schematic showing the layer structure of an embodiment of a fuel cell system according to the present invention 本発明による燃料電池の別の実施形態の概略図Schematic of another embodiment of a fuel cell according to the present invention 本発明による燃料電池の別の実施形態の概略図Schematic of another embodiment of a fuel cell according to the present invention 本発明による燃料電池の別の実施形態の概略図Schematic of another embodiment of a fuel cell according to the present invention

図1は、本発明による燃料電池1の実施形態の概略図を示している。この燃料電池1は例えば、唯一の燃料電池として、エネルギー獲得のために用いられる。しかし、殊に同じように形成されている別の燃料電池1とともに、例えば担体基板上で、1つの燃料電池システムにまとめられてもよい。   FIG. 1 shows a schematic diagram of an embodiment of a fuel cell 1 according to the invention. This fuel cell 1 is used, for example, for obtaining energy as the only fuel cell. However, it may be combined into a single fuel cell system, for example on a carrier substrate, together with other fuel cells 1 that are formed in the same way.

燃料電池1は管状の機能部2を含んでいる。この機能部は少なくとも2つの、電気的に接続されているセグメントライン3、4を含んでいる。特に有利には、これらの少なくとも2つのセグメントライン3、4は少なくとも部分的に電気的かつイオン的に相互に絶縁される。これによって、セグメントライン3、4の機能間の不所望な緩衝が回避される。本発明では、少なくとも2つのセグメントライン3、4の各々が、少なくとも2つの電極−電解質−セグメント5、6ないしは7、8を有している。各電極−電解質−セグメント5、6ないしは7、8は殊に、直列に接続されている。電極−電解質−セグメント5、6、7、8の正確な数は本発明においては制限されておらず、むしろ用途および能力に応じて自由に選択可能である。正確な数は殊に、所望の能力特性に依存して、すなわち、提供されるべき電流の強さないしは電圧に依存して選択される。   The fuel cell 1 includes a tubular functional part 2. This functional part includes at least two electrically connected segment lines 3 and 4. Particularly advantageously, these at least two segment lines 3, 4 are at least partially electrically and ionically isolated from one another. This avoids unwanted buffering between the functions of the segment lines 3 and 4. In the present invention, each of the at least two segment lines 3, 4 has at least two electrode-electrolyte-segments 5, 6 or 7, 8. Each electrode-electrolyte-segment 5, 6 or 7, 8 is in particular connected in series. The exact number of electrode-electrolyte-segments 5, 6, 7, 8 is not limited in the present invention, but rather can be freely selected depending on the application and capacity. The exact number is chosen in particular depending on the desired performance characteristics, i.e. on the strength of the current to be provided or on the voltage.

セグメントライン3、4内に配置されている電極−電解質−セグメントは少なくとも部分的に、電気的かつイオン的に絶縁性の領域24によって分断されている。さらに、各電極−電解質−セグメント5、6、7、8はアノードと、カソードと、アノードとカソードの間に配置されている電解質とを含んでいる。これは、詳細に図2に示されており、後で詳細に説明する。   The electrode-electrolyte-segments arranged in the segment lines 3, 4 are at least partly separated by electrically and ionically insulating regions 24. In addition, each electrode-electrolyte-segment 5, 6, 7, 8 includes an anode, a cathode, and an electrolyte disposed between the anode and the cathode. This is shown in detail in FIG. 2 and will be described in detail later.

図1はさらに、次のことを示している。すなわち、異なるセグメントライン3、4内に配置されている少なくとも2つの電極−電解質−セグメント5、7が、アノードの材料から、またはカソードの材料から形成されている接続部分9を介して電気的に接続されている、ということを示している。特に有利には、電極−電解質−セグメント5、7は直列に接続されている。   FIG. 1 further shows the following. That is, at least two electrode-electrolyte-segments 5, 7 arranged in different segment lines 3, 4 are electrically connected via a connecting part 9 formed from an anode material or from a cathode material. It shows that it is connected. Particularly advantageously, the electrode-electrolyte-segments 5, 7 are connected in series.

有利な実施形態では、少なくとも2つのセグメントライン3、4が、管状機能部2の軸に関して、軸方向に配向されている。個々のセグメントライン3、4相互の適切な絶縁を実現するために、これらは、管状機能部2の軸に関して軸方向に延在している気密性の接合箇所10によって、少なくとも部分的にイオン的および電気的に相互に絶縁される。接合箇所10は、このようにして、管状機能部2によって構成されているチューブを例えば2つのハーフチューブに分ける。ここで、各ハーフチューブは1つのセグメントライン3、4によって形成される。しかし、本発明の枠内では、機能部2がこの構成において一体的に構成されていてもよく、必ずしも2つの機能部2に分けられなければいけないのではない。   In an advantageous embodiment, at least two segment lines 3, 4 are axially oriented with respect to the axis of the tubular function part 2. In order to achieve a proper insulation between the individual segment lines 3, 4, they are at least partly ionic by a gastight joint 10 extending axially with respect to the axis of the tubular function part 2. And electrically isolated from each other. In this way, the joint 10 divides the tube constituted by the tubular functional unit 2 into, for example, two half tubes. Here, each half tube is formed by one segment line 3, 4. However, within the framework of the present invention, the functional unit 2 may be integrally formed in this configuration, and is not necessarily divided into two functional units 2.

燃料電池1の機能に関して、電流は、少なくとも2つのセグメントライン3、4内で、相互に反対方向に流れている。このために電流は例えば、セグメントライン3に沿って一方の方向に流れて、別のセグメントライン4に沿って逆方向に流れる。ここでこの電流は殊に、接続部分9を通って流れる。逆方向の電流の流れは図1において、矢印11によって示されている。逆方向の電流の流れは、接続部分9が機能部2の終端部に配置されている場合には特に有利である。これは図1に示されている。このようにして実質的に、機能部2の全長がエネルギー獲得に用いられる。ここでさらに接続部分9を、適切な電気接続を提供するために、管状の導体として構成することが可能である。   Regarding the function of the fuel cell 1, currents flow in opposite directions in at least two segment lines 3, 4. For this purpose, for example, current flows in one direction along the segment line 3 and in the opposite direction along another segment line 4. Here, this current flows in particular through the connecting part 9. The reverse current flow is shown in FIG. The current flow in the reverse direction is particularly advantageous when the connecting part 9 is arranged at the end of the functional part 2. This is illustrated in FIG. In this way, substantially the entire length of the functional unit 2 is used for energy acquisition. Here it is also possible for the connecting part 9 to be configured as a tubular conductor in order to provide a suitable electrical connection.

図1はさらに、機能部2が、一端が閉鎖されているチューブとして形成されることを示している。このようにして、燃料側と空気側との間を容易に分断することができる。ここで有利には、管状機能部2の外側に沿って空気が流れ、燃焼ガスが機能部2の壁部の内側に沿って流れる。   FIG. 1 further shows that the functional part 2 is formed as a tube closed at one end. In this way, the fuel side and the air side can be easily separated. Here, advantageously, air flows along the outside of the tubular function part 2 and combustion gas flows along the inside of the wall part of the function part 2.

これは、本発明による燃料電池1の特に安全な作動である。なぜなら燃焼ガス、例えば水素が、管状機能部2の内部ないしは燃料電池の内部で、容易にコントロール可能であり、このようにして、例えば爆発の形の、燃焼ガスに端を発する危険性が明確に低減されるからである。従ってこの構成ではアノードが、機能部2の内側に配置され、カソードが機能部2の外側に配置される。   This is a particularly safe operation of the fuel cell 1 according to the invention. Because the combustion gas, for example hydrogen, can be easily controlled inside the tubular functional part 2 or inside the fuel cell, in this way there is a clear danger of starting the combustion gas, for example in the form of an explosion This is because it is reduced. Therefore, in this configuration, the anode is disposed inside the functional unit 2 and the cathode is disposed outside the functional unit 2.

安定性を高めるために、機能部2をさらに、管状担体上に配置することができる。担体は、詳細には示されていないが、例えば、管状横断面において、機能部2の外側または内側に配置される。   In order to increase the stability, the functional part 2 can be further arranged on a tubular carrier. Although not shown in detail, the carrier is arranged outside or inside the functional part 2, for example, in a tubular cross section.

図2には、燃料電池1ないしは殊に、その機能部2の実施形態が詳細に示されている。図2aは、ここで機能部2の縦断面を示しており、これに対して図2b)は接合箇所10での3つの層の平面図を示している。   FIG. 2 shows in detail an embodiment of the fuel cell 1 or, in particular, its functional part 2. FIG. 2 a shows here a longitudinal section of the functional part 2, whereas FIG. 2 b) shows a plan view of the three layers at the joint 10.

図2は、本発明の燃料電池1が殊に、アノード層12とカソード層13と電解質層14とを備えた層集合体を有していることを示している。ここでアノード層12内には、アノード領域15、16、17、18が構成されている。これらは、電極−電解質−セグメント5、6、7、8のアノードを形成しており、気密性または気体透過性である。さらにアノードは導電性のみを有している、または導電性とイオン伝導性とを有している。アノード領域15、17はここで別のアノード領域16、18から電気的およびイオン的に絶縁性の領域19によって分断されている。これは気密性または気体透過性であり得る。これと相応に、カソード層13内にはカソード領域20、21、22、23が形成されている。これは電極−電解質−セグメント5、6、7、8のカソードを形成し、気密性または気体透過性であり得る。さらにカソードは導電性のみを有し得る、または導電性とイオン伝導性を有し得る。カソード領域20、22はここで別のカソード領域21、23から電気的およびイオン的に絶縁性の領域24によって分断されている。これは気密性または気体透過性であり得る。さらに、電解質層14内には電解質領域25、26、27、28が形成される。これらの電解質領域は電極−電解質−セグメント5、6、7、8の電解質を形成し、気密性である。さらにこの電解質は、電気的には絶縁性であるが、イオン的には伝導性であってもよい。例えば、電解質は、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)を含む、またはこの材料から成る。ここで電解質領域25、27は、同じセグメントライン内に配置された別の電解質領域26、28から、イオン的に絶縁性であり、かつ気密性の領域、殊にコネクタ29によって分断される。さらに電解質領域25、26は、同じセグメントライン内に配置された別の電解質領域27、28から、電気的およびイオン的に絶縁性の、気密性領域30によって分断される。   FIG. 2 shows that the fuel cell 1 according to the invention in particular has a layer assembly comprising an anode layer 12, a cathode layer 13 and an electrolyte layer 14. Here, anode regions 15, 16, 17, and 18 are formed in the anode layer 12. These form the anode of the electrode-electrolyte-segments 5, 6, 7, 8 and are airtight or gas permeable. Further, the anode has only conductivity, or has both conductivity and ion conductivity. The anode regions 15, 17 are here separated from the other anode regions 16, 18 by an electrically and ionically insulating region 19. This can be gas tight or gas permeable. Correspondingly, cathode regions 20, 21, 22 and 23 are formed in the cathode layer 13. This forms the cathode of the electrode-electrolyte-segments 5, 6, 7, 8 and can be gas tight or gas permeable. In addition, the cathode can be conductive only, or it can be conductive and ionic conductive. The cathode regions 20, 22 are here separated from the other cathode regions 21, 23 by an electrically and ionically insulating region 24. This can be gas tight or gas permeable. Further, electrolyte regions 25, 26, 27, and 28 are formed in the electrolyte layer 14. These electrolyte regions form an electrode-electrolyte-segment 5, 6, 7, 8 electrolyte and are airtight. Further, this electrolyte is electrically insulating, but may be ionically conductive. For example, the electrolyte comprises or consists of yttrium stabilized zirconia (YSZ). Here, the electrolyte regions 25, 27 are separated from other electrolyte regions 26, 28 arranged in the same segment line by ionically insulating and airtight regions, in particular by connectors 29. Furthermore, the electrolyte regions 25, 26 are separated from other electrolyte regions 27, 28 located in the same segment line by an electrically and ionically insulating, airtight region 30.

これまでの記載から、例えばアノード領域15、カソード領域20および電解質領域25が電極電解質セグメント5を形成することが明らかである。これと同様に、電極−電解質−セグメント6はアノード領域16、カソード領域21および電解質領域26を有しており、電極−電解質−セグメント7はアノード領域17、カソード領域22および電解質領域27を有しており、電極−電解質−セグメント8はアノード領域18、カソード領域23および電解質領域28を有している。   From the above description, it is clear that, for example, the anode region 15, the cathode region 20 and the electrolyte region 25 form the electrode electrolyte segment 5. Similarly, the electrode-electrolyte-segment 6 has an anode region 16, a cathode region 21 and an electrolyte region 26, and the electrode-electrolyte-segment 7 has an anode region 17, a cathode region 22 and an electrolyte region 27. The electrode-electrolyte-segment 8 has an anode region 18, a cathode region 23 and an electrolyte region 28.

本発明の枠内ではさらに有利には、アノード領域および/またはカソード領域を分断する電気的かつイオン的に絶縁性の領域19、24が空気または空気が充填された空洞によって構成されている。さらに、有利には、種々のセグメントライン3、4内に配置されている電解質領域を、相互に電気的にかつイオン的に絶縁する領域30が、固体絶縁体、殊に酸化アルミニウムによって形成される。   Within the framework of the invention, it is further advantageous that the electrically and ionically insulative regions 19, 24 separating the anode region and / or the cathode region are constituted by cavities filled with air or air. Furthermore, preferably, regions 30 that electrically and ionicly isolate the electrolyte regions arranged in the various segment lines 3, 4 are formed by a solid insulator, in particular aluminum oxide. .

コネクタ29に関してはさらに有利には、これはアノード材料またはカソード材料から構成されている。ここでこの材料は殊に導電性であるが、イオン伝導性ではない。殊にこの場合には、電気的な接続部9が種々のセグメントライン3、4の間に、接続部分9の他に、コネクタ29を有している。これに相応して、電極−電解質−セグメント5、7のアノードは、同じセグメントライン3、4の別の電極−電解質−セグメント6、8のカソードと、コネクタ29によって電気的に接続される。   With regard to the connector 29, it is further advantageous that it consists of an anode material or a cathode material. Here, this material is particularly conductive, but not ionically conductive. In particular, in this case, the electrical connection 9 has a connector 29 between the various segment lines 3 and 4 in addition to the connection 9. Correspondingly, the anode of the electrode-electrolyte-segments 5, 7 is electrically connected by a connector 29 to the cathode of another electrode-electrolyte-segment 6, 8 on the same segment line 3, 4.

図2はさらに、アノード層12内に配置されている、電極−電解質−セグメント6のアノード領域16と、カソード層13内に配置されている、別の電極−電解質−セグメント5のカソード領域20とが部分的に重畳して配置されていることを示している。ここでコネクタ29はこの重畳領域内に配置されている。このコネクタ29は特に有利には主に、電解質層14内に配置されている。   FIG. 2 further shows an anode region 16 of the electrode-electrolyte-segment 6 disposed in the anode layer 12 and a cathode region 20 of another electrode-electrolyte-segment 5 disposed in the cathode layer 13. Indicates that they are partially overlapped. Here, the connector 29 is disposed in this overlapping region. This connector 29 is particularly preferably arranged mainly in the electrolyte layer 14.

接続部分9はさらに少なくとも部分的に電解質材料によって覆われている。これは位置に応じて、アノード層12、カソード層13および電解質層14内に配置される。それぞれの場合において、接続部分9は気密性の材料を含んでいるか、または気密性の材料によって覆われており、これによって、接続部分へのガスの侵入が阻止される。   The connecting part 9 is further at least partially covered by an electrolyte material. This is disposed in the anode layer 12, the cathode layer 13, and the electrolyte layer 14 depending on the position. In each case, the connection part 9 contains a gas-tight material or is covered with a gas-tight material, which prevents gas from entering the connection part.

本発明では、電極−電解質−セグメント5、6、7、8の電極の外面に、電極の電気的な接触接続のために、アノード材料およびカソード材料とは異なる導電性材料から構成されている電流コレクタを被着しないことが可能である。これに相応して、特に有利には、燃料電池1が複数のセグメントをまとめるために、機能部の軸に関して軸方向に配置されており、アノード材料およびカソード材料とは異なる導電性材料から形成されている長手方向電流コレクタを有していないことが可能である。   In the present invention, the outer surface of the electrode of the electrode-electrolyte-segment 5, 6, 7, 8 is made of a conductive material different from the anode material and the cathode material for electrical contact connection of the electrode. It is possible not to deposit the collector. Correspondingly, the fuel cell 1 is particularly advantageously arranged axially with respect to the axis of the functional part for grouping a plurality of segments and is made of a conductive material different from the anode material and the cathode material. It is possible not to have a longitudinal current collector.

従って機能部2は、有利な実施形態では、単に、接続部分9ないしはコネクタ29によって接続されている電極−電解質−セグメント5、6、7、8から成る。これらの電極−電解質−セグメントはそれぞれアノード領域15、16、17、18、カソード領域20、21、22、23および電解質領域25、26、27、28から成る。   Thus, the functional part 2 simply consists of electrode-electrolyte-segments 5, 6, 7, 8, which are connected in a preferred embodiment by a connection part 9 or a connector 29. These electrode-electrolyte-segments consist of anode regions 15, 16, 17, 18, cathode regions 20, 21, 22, 23 and electrolyte regions 25, 26, 27, 28, respectively.

図3は、管状の、1つまたは複数のセラミックおよび/またはガラス状の材料から形成されている担体30を備えた、本発明による燃料電池1の実施形態を示している。この担体の内面には機能部2が被着されている。図には示されていなくても、機能部2を、別の択一的な実施形態の枠内で、管状担体30の外面に配置することができる。   FIG. 3 shows an embodiment of a fuel cell 1 according to the invention comprising a support 30 formed from one or more tubular ceramic and / or glassy materials. The functional part 2 is attached to the inner surface of the carrier. Although not shown in the figure, the functional part 2 can be arranged on the outer surface of the tubular carrier 30 within the frame of another alternative embodiment.

図3は、管状担体30が、機能部2に接している(複数の)部分ないしは多孔性領域30aにおいて、気体を通す細孔を有していることを示している。換言すれば、機能部2は、管状担体30の内側で、正確に、多孔性部分30aの高さに位置付けされる。図3はさらに、管状担体30がさらに一方の管終端部においてキャップ部分30bによって封鎖されており、他方の管終端部において基部30c、いわゆる取り付けフランジを、担体基板に燃料電池1を固定するために有していることを示している。有利には、基部30cは次のように構成されている。すなわち、付加的にシーリングせずに、ガラス状の材料によって燃料電池1を担体基板に気密性に固定するように構成されている。キャップ部分30aおよび基部30cはここで気密性に形成されている。   FIG. 3 shows that the tubular carrier 30 has pores through which a gas passes in the portion (s) or the porous region 30a in contact with the functional unit 2. In other words, the functional part 2 is accurately positioned at the height of the porous portion 30 a inside the tubular carrier 30. FIG. 3 further shows that the tubular carrier 30 is further sealed at one tube end by a cap portion 30b, and a base 30c, a so-called mounting flange, is fixed at the other tube end to fix the fuel cell 1 to the carrier substrate. It shows that it has. Advantageously, the base 30c is configured as follows. In other words, the fuel cell 1 is hermetically fixed to the carrier substrate with a glassy material without additional sealing. Here, the cap portion 30a and the base portion 30c are formed to be airtight.

図3はさらに、ここで機能部2を担う、中央の中空円筒状の、気体透過性の多孔部分30aが接続領域31において一方ではキャップ部分30bと接しており、他方では基部30cに接していることを示している。ここでこれらの部分は材料によって相互に接続される。接続領域31における機械的な安定性を高めるために、管状担体30の接続領域31はさらに、形状を用いた接続のためのインターロック部を有することができる。チューブないしは担体30のこの1つの終端部は、さらに、気密性の材料によって封鎖される。   FIG. 3 further shows that the central hollow cylindrical gas-permeable porous part 30a, which is responsible for the function part 2 here, is in contact with the cap part 30b on the one hand in the connection region 31 and in contact with the base part 30c on the other hand. It is shown that. Here, these parts are interconnected by material. In order to increase the mechanical stability in the connection region 31, the connection region 31 of the tubular carrier 30 can further have an interlock part for connection using a shape. This one end of the tube or carrier 30 is further sealed by an airtight material.

管状担体30は殊に、イオン的および電気的に絶縁性の、セラミックおよび/またはガラス材料から構成されている。有利にはこの管状担体30はフォルステライトから形成される。機能部2はさらに、極めて薄い、例えば50μm以下の層システム厚を有する。ここで電解質は約15μmの層厚を有し得る。   The tubular carrier 30 is composed in particular of an ionic and electrically insulating ceramic and / or glass material. Advantageously, the tubular carrier 30 is formed from forsterite. The function part 2 furthermore has a very thin layer system thickness, for example of 50 μm or less. Here, the electrolyte may have a layer thickness of about 15 μm.

図3においてはさらに、燃料電池1が、アノード層12とカソード層13と電解質層14とを備えている層集合体を有していることが読み取れる。さらに、機能部2が少なくとも2つの、電気的に接続されているセグメントライン3、4を有することが示されている。   Further, in FIG. 3, it can be seen that the fuel cell 1 has a layer assembly including an anode layer 12, a cathode layer 13, and an electrolyte layer 14. Furthermore, it is shown that the functional part 2 has at least two electrically connected segment lines 3, 4.

図4は、チューブの終端がさらに次のように形成されていることを示している。すなわち、少なくとも1つの、殊に複数のガイド部材32が、ガス供給筒33を安定させるために存在するように形成されていることを示している。図4aおよび4bは、ガイド部材32を概略的に示している断面図である。   FIG. 4 shows that the end of the tube is further formed as follows. That is, it is shown that at least one, in particular, a plurality of guide members 32 are formed so as to exist in order to stabilize the gas supply cylinder 33. 4a and 4b are cross-sectional views schematically showing the guide member 32. FIG.

図4aに示されている実施形態では殊に、キャップ部分30b内に付加的な材料によって少なくとも1つの支材34が配置され得る。殊に3つの支材34が設けられる。これらの支材のうちの1つだけが図4aで見て取れる。支材34は回廊(Kreuzgangs)のそれに類似している。これは殊に、内側へと延在しており、このようにしてガス供給筒33を支えている。別の、図示されていない支材34はガス供給筒33をそれぞれ別の方向で支えている。従って全体として、ガス供給筒33の安定した固定が実現される。   In the embodiment shown in FIG. 4a, in particular, at least one strut 34 can be arranged by means of an additional material in the cap part 30b. In particular, three struts 34 are provided. Only one of these struts can be seen in FIG. 4a. The strut 34 is similar to that of the Kreuzgangs. This in particular extends inward and thus supports the gas supply tube 33. Separate support members 34 (not shown) support the gas supply cylinders 33 in different directions. Accordingly, as a whole, the gas supply cylinder 33 can be stably fixed.

図4bに示された実施形態では殊に、キャップ部分30b内に少なくとも1つの、有利には複数の圧痕35が設けられる。例えば3つのこれらの圧痕35のうちの1つだけが、図4bにおいて見て取れる。1つないしは複数の圧痕35は同様に回廊に類似して配置されている、ないしは内側へと延在している。従って、これはガス供給筒33に対する支えを形成する。他の、図示されていない圧痕35はガス供給筒33をそれぞれ別の方向で支えている。従って全体として、ガス供給筒の安定的な固定が実現される。   In the embodiment shown in FIG. 4b in particular, at least one, preferably a plurality of indentations 35 are provided in the cap part 30b. For example, only one of these three indentations 35 can be seen in FIG. 4b. One or more indentations 35 are likewise arranged analogously to the corridor or extend inward. This therefore forms a support for the gas supply tube 33. Other indentations 35 (not shown) support the gas supply cylinders 33 in different directions. Therefore, as a whole, stable fixation of the gas supply cylinder is realized.

対向する側、すなわち殊に基部30cの領域に、ガス接続フランジが形成される。これはガラス状材料を付加的に密閉すること無く、気密性の接続を可能にする。この場合にはチューブ全体が同時焼成される。   A gas connection flange is formed on the opposite side, in particular in the region of the base 30c. This allows an airtight connection without additional sealing of the glassy material. In this case, the entire tube is fired simultaneously.

1 燃料電池、 2 機能部、 3、4 セグメントライン、 5、6、7、8 電極−電解質−セグメント、 9 接続部分、 10 接合箇所、 11 矢印、 12 アノード層、 13 カソード層、 14 電解質層、 15、16、17、18 アノード領域、 20、21、22、23 カソード領域、 25、26、27、28 電解質領域、 29 コネクタ、 30 担体、 30b キャップ部分、 30c 基部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell, 2 Functional part, 3, 4 Segment line, 5, 6, 7, 8 Electrode-electrolyte-segment, 9 Connection part, 10 Joint location, 11 Arrow, 12 Anode layer, 13 Cathode layer, 14 Electrolyte layer, 15, 16, 17, 18 Anode region, 20, 21, 22, 23 Cathode region, 25, 26, 27, 28 Electrolyte region, 29 Connector, 30 Carrier, 30b Cap part, 30c Base

Claims (15)

燃料電池であって、
電気的に接続されている少なくとも2つのセグメントライン(3、4)を備えた管状機能部(2)を有しており、
前記少なくとも2つのセグメントライン(3、4)の各々は、少なくとも2つの電極−電解質−セグメント(5、6、7、8)を有しており、当該電極−電解質−セグメントはそれぞれ、1つのアノードと1つのカソードと、当該アノードとカソードの間に配置されている1つの電解質とを含んでおり、
1つのセグメントライン(3、4)の前記電極−電解質−セグメント(5、6、7、8)同士は直列接続されており、
異なるセグメントライン(3、4)内に配置されている1つずつの電極−電解質−セグメント(5、7)は、複数の前記セグメントライン(3、4)が直列接続されるように、アノードの材料からまたはカソードの材料から形成される接続部分(9)を介して電気的に接続されており、
前記少なくとも2つのセグメントライン(3、4)は前記管状機能部(2)の軸に関して軸方向に配向されており、かつ、前記少なくとも2つのセグメントライン(3、4)の間において前記管状機能部(2)の軸に関して軸方向に延在している気密性の接合箇所(10)によって、前記少なくとも2つのセグメントライン(3、4)は少なくとも部分的に、イオン的および電気的に相互に絶縁されている、ことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell,
Having a tubular function part (2) with at least two segment lines (3, 4) electrically connected;
Each of the at least two segment lines (3, 4) has at least two electrode-electrolyte-segments (5, 6, 7, 8), each of the electrode-electrolyte-segments being one anode. And one cathode, and one electrolyte disposed between the anode and the cathode,
The electrode-electrolyte-segments (5, 6, 7, 8) of one segment line (3, 4) are connected in series,
One electrode-electrolyte-segment (5, 7) arranged in different segment lines (3, 4) is connected to the anode so that a plurality of the segment lines (3, 4) are connected in series. Electrically connected via a connecting part (9) formed from a material or from a cathode material ,
The at least two segment lines (3, 4) are axially oriented with respect to the axis of the tubular function part (2), and the tubular function part between the at least two segment lines (3, 4) The at least two segment lines (3, 4) are at least partly ionic and electrically isolated from each other by an airtight joint (10) extending axially with respect to the axis of (2) fuel cell according to claim to have, that is.
電流が流れる方向は前記少なくとも2つのセグメントライン(3、4)において相互に逆方向になっている、請求項1記載の燃料電池。 Direction of current flow is in the opposite directions in said at least two segment lines (3,4), the fuel cell according to claim 1 Symbol placement. 前記異なるセグメントライン(3、4)間の電気的接続部は、前記接続部分(9)の他に、コネクタ(29)を含んでいる、および/または
同じセグメントライン(3、4)内の一つの電極−電解質−セグメント(5、6、7、8)のアノードは、別の電極−電解質−セグメント(5、6、7、8)のカソードと、コネクタ(29)によって電気的に接続されている、請求項1または2記載の燃料電池。
The electrical connection between the different segment lines (3, 4) includes, in addition to the connection part (9), a connector (29) and / or one in the same segment line (3, 4). The anode of one electrode-electrolyte-segment (5, 6, 7, 8) is electrically connected by the connector (29) with the cathode of another electrode-electrolyte-segment (5, 6, 7, 8). The fuel cell according to claim 1 or 2 .
前記コネクタ(29)は、導電性材料、例えばアノード材料またはカソード材料から形成されており、当該材料は気密性、かつイオン非伝導性である、請求項記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 3 , wherein the connector (29) is made of a conductive material, for example an anode material or a cathode material, which is hermetic and non-ionically conductive. 前記燃料電池(1)はアノード層(12)とカソード層(13)と電解質層(14)とを備えた層集合体を有している、請求項1からまでのいずれか1項記載の燃料電池。 The fuel cell (1) according to any one of claims 1 to 4 , comprising a layer assembly comprising an anode layer (12), a cathode layer (13) and an electrolyte layer (14). Fuel cell. 前記アノード層(12)内にアノード領域(15、16、17、18)が形成されており、当該アノード領域(15、16、17、18)は前記電極−電解質−セグメント(5、6、7、8)のアノードを形成し、一つのアノード領域(15、16、17、18)は別のアノード領域(15、16、17、18)と、電気的およびイオン的に絶縁性の領域(19)によって分断されている、および/または
前記カソード層(13)内にカソード領域(20、21、22、23)が形成されており、当該カソード領域(20、21、22、23)は前記電極−電解質−セグメント(5、6、7、8)のカソードを形成し、一つのカソード領域(20、21、22、23)は別のカソード領域(20、21、22、23)と、電気的およびイオン的に絶縁性の領域(24)によって分断されている、および/または
前記電解質層(14)内に電解質領域(25、26、27、28)が形成されており、当該電解質領域(25、26、27、28)は前記電極−電解質−セグメント(5、6、7、8)の電解質を形成し、一つの電解質領域(25、27)は、同じセグメントライン(3、4)内に配置されている別の電解質領域(26、28)と、イオン的に絶縁性の領域(29)によって分断されている、および/または、一つの電解質領域(25、26)は、異なるセグメントライン(4)内に配置されている別の電解質領域(27、28)と、電気的およびイオン的に絶縁性の気密性領域(30)によって分断されている、請求項記載の燃料電池。
An anode region (15, 16, 17, 18) is formed in the anode layer (12), and the anode region (15, 16, 17, 18) is the electrode-electrolyte-segment (5, 6, 7). 8), one anode region (15, 16, 17, 18) is electrically and ionically insulative region (19) with another anode region (15, 16, 17, 18). And / or a cathode region (20, 21, 22, 23) is formed in the cathode layer (13), and the cathode region (20, 21, 22, 23) is formed by the electrode. Electrolyte—forms the cathode of the segment (5, 6, 7, 8), one cathode region (20, 21, 22, 23) is electrically connected to another cathode region (20, 21, 22, 23) And ions Are separated by an electrically insulating region (24) and / or an electrolyte region (25, 26, 27, 28) is formed in the electrolyte layer (14), and the electrolyte region (25, 26) 27, 28) form the electrolyte of the electrode-electrolyte-segment (5, 6, 7, 8), and one electrolyte region (25, 27) is arranged in the same segment line (3, 4). Are separated by another electrolyte region (26, 28) and an ionically insulating region (29) and / or one electrolyte region (25, 26) is a different segment line (4) 6. The fuel cell according to claim 5 , wherein the fuel cell is separated by another electrolyte region (27, 28) disposed therein and an electrically and ionically insulating hermetic region (30).
前記アノード領域(15、16、17、18)および/または前記カソード領域(20、21、22、23)の分断のための前記電気的およびイオン的に絶縁性の領域(19、24)は、空気によって、または空気が充填されている空洞によって形成されている、および/または
異なるセグメントライン(3、4)内に配置されている電解質領域(27、28からの25、26)の分断のための前記電気的およびイオン的に絶縁性の領域(30)は、固体絶縁体によって形成されている、および/または
同じセグメントライン(3、4)内に配置されている電解質領域(26、28からの25、27)の分断のための前記イオン的に絶縁性の領域は導電性であり、コネクタ(29)によって形成されている、請求項記載の燃料電池。
The electrically and ionically insulating regions (19, 24) for the division of the anode region (15, 16, 17, 18) and / or the cathode region (20, 21, 22, 23) are: Due to the separation of the electrolyte regions (27, 25 from 27, 28) formed by air or by cavities filled with air and / or arranged in different segment lines (3, 4) Said electrically and ionically insulating regions (30) of the electrolyte region (26, 28) formed by solid insulators and / or arranged in the same segment line (3, 4) 7. The fuel cell according to claim 6 , wherein the ionically insulating region for severing 25, 27) is electrically conductive and formed by a connector (29).
前記アノード層(12)内に配置されている、一つの電極−電解質−セグメント(5、6、7、8)のアノード領域(15、16、17、18)と、前記カソード層(13)内に配置されている、別の電極−電解質−セグメント(5、6、7、8)のカソード領域(20、21、22、23)とは部分的に重畳して配置されており、
前記重畳領域においてコネクタ(29)が前記電解質層(14)内に配置されている、請求項5から7までのいずれか1項記載の燃料電池。
An anode region (15, 16, 17, 18) of one electrode-electrolyte-segment (5, 6, 7, 8) disposed in the anode layer (12), and in the cathode layer (13) Are arranged in a partially overlapping manner with the cathode region (20, 21, 22, 23) of another electrode-electrolyte-segment (5, 6, 7, 8),
The fuel cell according to any one of claims 5 to 7 , wherein a connector (29) is arranged in the electrolyte layer (14) in the overlapping region.
前記電極−電解質−セグメント(5、6、7、8)の電極の外面に、当該電極の電気的な接触接続のための、アノード材料およびカソード材料とは異なる導電性材料から成る電流コレクタが被着されていない、および/または
燃料電池(1)は複数の電極−電解質−セグメント(5、6、7、8)をまとめるための、前記機能部(2)の軸に関して軸方向に配置されており、かつ前記アノード材料およびカソード材料とは異なる導電性材料から成る長手方向電流コレクタを有していない、請求項1からまでのいずれか1項記載の燃料電池。
The outer surface of the electrode of the electrode-electrolyte-segment (5, 6, 7, 8) is covered with a current collector made of a conductive material different from the anode material and the cathode material for electrical contact connection of the electrode. Unattached and / or the fuel cell (1) is arranged axially with respect to the axis of said functional part (2) for grouping a plurality of electrode-electrolyte-segments (5, 6, 7, 8) cage, and the do not have a longitudinal current collector made of a different conductive material than the anode and cathode materials, fuel cell according to any one of claims 1 to 8.
前記機能部(2)は一端が封鎖されているチューブとして構成されている、請求項1からまでのいずれか1項記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 9 , wherein the functional part (2) is configured as a tube sealed at one end. 前記機能部(2)は管状担体(30)上に配置されており、
および/または
前記担体(30)は、前記機能部(2)に接している部分(30a)において気体透過性の細孔および/または開口部を有している、および/または
前記担体(30)は少なくとも1つの開放管端部において、当該燃料電池(1)を担体基板に固定するための基部(30c)を有しており、当該基部は気密性に構成されている、および/または
前記担体(30)は管端部で、キャップ部分(30b)によって封鎖されており、当該キャップ部分は気密性に構成されている、請求項1から10までのいずれか1項記載の燃料電池。
The functional part (2) is arranged on the tubular carrier (30);
And / or the carrier (30) has gas-permeable pores and / or openings in the part (30a) in contact with the functional part (2), and / or the carrier (30). Has a base (30c) for fixing the fuel cell (1) to the carrier substrate at at least one open pipe end, the base being configured to be airtight, and / or the carrier The fuel cell according to any one of claims 1 to 10 , wherein (30) is a tube end portion and is sealed by a cap portion (30b), and the cap portion is configured to be airtight.
前記管状担体(30)はフォルステライトを含有している、請求項11記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 11 , wherein the tubular support (30) contains forsterite. 前記接続部分(9)は、前記機能部(2)の終端部分に配置されている、請求項1から12までいずれか1項記載の燃料電池。 The connecting portion (9) is disposed at the end portion of the functional unit (2), the fuel cell of any one of claims 1 to 12. 前記接続部分(9)は環状導体として形成されている、請求項1から13までのいずれか1項記載の燃料電池。 The connecting portion (9) is formed as an annular conductor, the fuel cell of any one of claims 1 to 13. 請求項1から14までのいずれか1項に記載されている燃料電池(1)を少なくとも1つ含んでいる、
ことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell (1) described in any one of claims 1 to 14 containing at least one,
A fuel cell system.
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