NO305820B1

NO305820B1 - Anordning ved brenselcelle

Info

Publication number: NO305820B1
Application number: NO923650A
Authority: NO
Inventors: Ulf Bossel
Original assignee: Herrmann Klaus Ag; Bossel Ulf Dr
Priority date: 1991-03-05
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1999-07-26
Also published as: ATE127962T1; EP0527990B1; US5338621A; CA2081779C; ES2077402T3; JPH05507384A; DE59203656D1; EP0527990A1; AU643371B2; DK0527990T3; NO923650D0; CH682270A5; AU1272192A; WO1992016029A1; NO923650L

Description

Fig. Oppfinnelsen angår en anordning som angitt i innledningen til patentkrav 1.

Bakgrunn

Brenselsceller med keramiske faststoffelektrolytter har i lengre tid blitt beskrevet i tallrike publikasjoner, hvorved det etterfølgende gir eksempler på et flertall mulige litteraturhenvisninger: US-A-4,692,274

US-A-4.618.543

US-A-4.395.468

US-A-3.400.054

US-A-3.429.749

EP-A-0.357.025

EP-A-0.406.523

DE-A-4.004.571

Patent Abstract of Japan, vol. 14, nr. 32 (E-876) (3975) V. 22.01.1990 Electrochimica Acta. bind 31, nr. 7, s. 801-809, juli 1986.

De kjente brenselscellekonstruksjoner og anordninger tilfredsstiller ennå ikke de moderne industrielle krav med hensyn til sikkerhet og drift, temperaturbestandighet, levetid og enkelt vedlikehold.

Formål

Hovedformålet med den foreliggende opp-finnelsen er å forenkle slike anordninger samt forbedre driften av slike, særlig å forbedre, sikre og forenkle de konstruktive og elektriske betingelser. Følgelig er et særlig formål med den foreliggende oppfinnelsen å sikre en ensartet luft- og brenstofftilførsel til det elektrokjemisk aktive areal såvel som en feilfri strømoverføring fra en brenselscelle ved en tilstøtende brenselscelle ved samtidig å unngå tverrstrømmer i elektrodene, hvorved transport av de gassformige medier til og fra elektroden kan utformes på en slik måte at det kan oppnås en mest mulig ensartet driftstemperatur over hele elektrodeoverflata, ved en kostnadsgunstig utførelse, kostnadsbesparende vedlikehold og raskere utskiftbarhet av enkeltelementer med lengre levetid.

Oppfinnelsen

Disse formål løses med en anordning i henhold til den karakteriserende del av patentkrav 1. Ytterligere fordelaktige trekk ved oppfinnelsen framgår av de uselvstendige kravene.

Den foreliggende oppfinnelsen har en særlig fordel framfor kjente løsninger ved at tilførselen av det gassformige brenslet såvel som den gassformige oksygenbærer til de enkelte elektroder kan finne sted praktisk talt loddrett på hele overflata. På denne måten oppnås en ensartet konsentrasjon av disse gassformige medier, dvs. også en ensartet elektrokjemisk omsetning og dermed en ensartet temperatur i brenselscella over hele elektrodeoverflata (kvasi-isotermt område).

Ved utforming av skilleplata som et hullegeme med ekstra profilering kan problemene med å holde konstant temperatur, tilførsel og fjerning av samme gassformige medier såvel som vedlikehold og utskiftning i tilfelle forstyrrelser løses optimalt på en enkel måte.

Gjennom de på skilleplata anliggende gassgjennomtrengelige keramiske mellomlegg, som virker loddrett mot plateflata som høytemperaturbuffer (Hochtemperaturfeder) og strømkollektorene som med stort areal ensartet presser an mot de overforliggende elektrodene ved tilstøtende brenselsceller, oppnås en ensartet og mekanisk og elektrisk belastning av alle kontaktpunktene på elektrodene. På denne måten unngås lokale overbelastninger, trykkforbrenning og ekstra strømningsvarmetap.

Størrelsen på elektrodeflata settes ikke etter de vanlige snevre grensene betinget av kontaktproblemer og vanskeligheter ved transport av de gassformige medier. Mellom to metalliske skilleplater med stor flate kan dessuten flere keramiske elektrolyttplater med mindre dimensjon anbringes ved siden av hverandre.

Anordningen av plateflatene i loddrett stilling letter den eksterne tilførsel og fjerning av de gassformige medier, tilgjengeligheten av de enkelte byggedeler og deres utskiftbarhet og reduserer byggehøyden av stabler, moduler og hele blokker.

Plasseringen av brennstoftfilførselen med hjelp av skilleplatas skaftformige forlengelse fra det varme til det kalde området av anordningen muliggjør bruk av vanlige elastiske tetninger med tilstrekkelige tette-egenskaper.

Den flatemessige gasstransport i det indre av skilleplata muliggjør ikke bare en forvarming av gasstrømmen men også gjennomføring av endoterme kjemiske konverteringsreaksj oner umiddelbart før gassutløpet til brenselselektroden ved utnyttelse av overskuddsvarme som oppstår i stabelen, samt en flatemessig og homogen avkjøling av brenselscella.

Plassering av katalysatoren, som framskynder de endoterme reaksjonene, i det mindre av skilleplata utformet som hullegeme, skaffer in situ optimale betingelser ved gjennomføring av slike spesifikke reaksjoner.

Den eksterne tilførsel av brenslet (CH4) vinkelrett på plateflata samt oksygenbæreren (02) parallelt med plateflata skaffer ideelle forhold for hele konstruksjonen med hensyn til kanaler, rørledninger, varmevekslere og annet tilbehør. Kun på denne måten er det med akseptabel innsats mulig å bygge og vedlikeholde industrielle installasjoner.

En optimal tilførsel og fordeling av de gassformige medier, hvorved det her særlig også menes brenslet, framtrer ved at det i skilleplatene er framskaffet kanaler og åpninger for optimal gasstransport. En særlig fordelaktig utførelsesform består i at det for tilførsel av gassformig medium i det kalde området av anordningen er sørget for at skilleplatene er forsynt med en utadrettet forlengelse. Dermed følger at det råder forholdsvis lave temperaturer på eksempelvis mindre enn 300°C, slik at alle kjente tetninger kan anvendes, dvs. at de ikke trenger å være høytemperaturbestandige, de kan for eksempel bestå av et temperaturbestandig plastmateriale, slik som poly tetrafluorety len.

Utformingen av strømkollektorene som angitt i underkravene tilbyr en fullstendig konstruktiv fordel som allerede angitt ovenfor i prinsippet.

Eksempel

Ytterligere detaljer, kjennetegn og fordeler ved oppfinnelsen framgår av den etterfølgende beskrivelse såvel som figurene, idet

figur 1 viser et skjematisk planriss/snitt av den prinsippielle oppbygning av brenselscelle-anordningen,

figur 2 viser et skjematisk grunnriss/snitt av den prinsippielle oppbygning av brenselscelleanordningen,

figur 3 viser i perspektiv den prinsippielle oppbygning av skilleplate formet som hullegeme,

figur 4 viser et skjematisk planriss/snitt av skilleplata formet som hullegeme,

figur 5 viser et skjematisk grunnriss/snitt av skilleplata formet som hullegeme,

figur 6 viser i perspektiv den prinsippielle oppbygning av ei "oppblåst" brenselscelle med de enkelte byggeelementer,

figur 7 viser et skjematisk snitt gjennom en stabel bestående av flere brenselsceller og forbindende byggeelementer,

figur 8 viser i perspektiv en modul bestående av to sammenkoplete stabler av brenselsceller i serie,

figur 9 viser et skjematisk grunnriss/snitt gjennom en modul bestående av to sammenkoplete stabler av brenselsceller i serie,

figur 10 viser i perspektiv ei blokk bestående av fire moduler brenselsceller,

figur 11 viser et skjematisk snitt gjennom to intilliggende brenselsceller med mellomliggende skilleplate som oppviser flere kanaler,

figur 12 viser et skjematisk snitt gjennom tre varianter av berøringskonturen mellom skilleplate og gassgjennomtrengelig mellomlegg, og

figur 13 viser et skjematisk planriss av to varianter av skilleplata med ulik føring av de gassformige medier.

I figur 1 er det i skjematisk planriss/snitt framstilt en prinsippiell oppbygning av en anordning i henhold til oppfinnelsen. En keramisk fastsstoffelektrolytt 1 av et oksygenionledende, dopet og stabilisert metalloksid, eksempelvis av Zr02stabilisert med Y203, oppviser på den ene siden en porøs (positiv) oksygenelektrode 2 av et med SrO dopet La/Mn-Perowskit og på den andre siden en porøs (negativ) brenselselektrode 3 av Ni/Zr02-kermet. På oksygenelektroden 2 finnes et tynt Cr-overflatesjikt 4 og på brenselselektroden 3 et tynt Ni-overflatesjikt 5.

Ei gasstett skilleplate 6 formet som hullegeme, som skiller gassrommene foran oksygenelektroden 2 fra den overforliggende brenselelektrode 3 ved den inntilliggende brenselscelle, er i figur 1 framstilt delvis i midten og ut til venstre. Skilleplata 6 oppviser kanaler 7 med åpninger 8.

Tilførselen av den gassformige oksygenbærer (02) til brenselscella, for eksempel i form av rent oksygen eller luft, er angitt ved henvisningstall 9, mens tilførselen av det gassformige brenslet (metan CH4, hydrogen H2 eller CO) er betegnet ved 10. Et gassgjennomtrengelig keramisk mellomlegg 11, som virker som høytemperaturbuffer har form av en filt eller skinn og omslutter en strømkollektor 12 på oksygensiden og en strømkollektor 13 på brenselssiden, hvorved strømkollektorene 12 og 13 gjennom disse høyelastiske mellomlegg 11 er presset ensartet an mot elektrodene 2 og 3. Mellomleggene 11 støtter seg delvis på den ovennevnte skilleplata 6 med hele arealet. På denne måten oppnås et uforanderlig kontakttrykk over hele elektrodeflata fra strømkollektoren og en ensartet strømfordeling.

Strømningen av de gassformige medier 02, CH4, N2, C02 og H20 er i figurene antydet med piler, hvorved N2 er angitt som fellesbetegnelse for ballastgass (hovedsakelig nitrogen eller restoksygen) på oksygensiden og C02 h.h.v. H2for reaksjonsprodukter (hovedsakelig karbondioksid, vanndamp eller restbrensel), dvs. avgass på brenselssiden.

Som det går fram av figur 2 befinner det seg i hulrommet av skilleplata 6 i kanalen 7 på brenselssiden en katalysator 18, som framskynder eventuelt den endoterme konverteringsreaksjonen av primærbrenslet (CH4) med reaksjonsproduktene (C02eller H20) eller eksternt tilførte gasser med samme eller liknende sammensetning til sekundærbrensel (CO og H2).

Som det går fram av figur 3 oppviser skilleplata 6 en skaftformig framstikkende forlengelse 16 som tjener som tilførsel for brenslet (CH4).

Pila i figurene antyder strømningsretningen for de gassformige mediene. De finpunkterte linjene angir skjematisk strømingslinja for brenslet (CH4) inne i den hule skilleplata 7 og de stiplete angir strømningslinjene for oksygenbæreren (02) bak skilleplata. Utløpsretningen for CH4 og 02 er i innbyrdes motsatt retning og står loddrett på plateflata, og forbi de inntilliggende elektrodene, som i figur 3 og 4 ikke er illustrert.

Som det går fram av figur 4 oppviser brenselscella en indre tilførsel for brensel, som i den illustrerte utførelsesform dannes av en åpning 10 i det indre av den skaftformige framstikkende forlengelsen 16 av skilleplata 6. Brenslet (CH4) føres inn i det indre av skilleplata 6, mens oksygenbæreren 02 stryker langs utsiden av den profilerte skilleplata 6, hvorved N2 antyder avtrekket av bæregass ved kanten av skilleplata, hvorved figur 5 i sin forenklete framstilling igjen viser strømningsforholdene.

Figur 6 viser i oppblåst framstilling anordningen av de enkelte byggeelementene. Som det går fram av denne framstillingen settes strømkollektoren 13 loddrett på plateflaten av brenselsstrømmen (CH4). Det etterfølgende mellomlegget 11 av filt-eller skinnaktige plater, som tidligere nevnt virker som høytemperaturbuffer vinkelrett på plateflata, blir likeså gjennomstrømmet av brenselstrøm (CH4) vinkelrett på plateflata. Den skaftformige framstikkende tilførselsforlengelsen 16 for tilførsel av brenslet (CH4) befinner seg utenfor området med høy temperatur, slik at tetningselementet betegnet ved 17 i det gassformige mediet ikke trenger være høy temperaturbestandig.

Mellomlegget 11 på oksygensiden har samme funksjon som det keramiske mellomlegget på brenselssiden beskrevet ovenfor, hvorved 02-strømmen i strømkollektor 12 på oksygensiden strømmer gjennom loddrett på plateflata og loddrett på den porøse (positive) oksygenelektroden 2 som opptrer som den egentlige brenselscella. I figur 1 og 2 er også hver keramisk faststoffelektrolytt betegnet med 1 og brenselselektrodene med 3. Som det går fram av figur 6, følger den eksterne tilførsel av brensel (CH4) hovedsakelig vinkelrett på og oksygenet hovedsakelig parallelt med plateflata av brenselscella 1,2,3 henholdsvis hele den stabelformige anordningen av brenselsceller.

En slik stabel av brenselsceller er i figur 7 framstilt i et forenklet snitt og i figur 8 i perspektiv, hvorved det i figur 7 er likegyldig hvorvidt det er snakk om et grunnriss eller et planriss. Brenselscellene 1, 2, 3 er atskilt med skilleplater 6 med kanalstruktur, hvorved strømkollektoren 12 i figur 7 på oksygensiden er forbundet elektrisk ledende på frontsiden med strømkollektoren 13 på brenselssiden i den inntilliggende brenselscella. Polariteten av klemmene (ikke nærmere illustrert) er angitt med + og -. Anordningen som er angitt i perspektiv i figur 8, består som beskrevet av brenselsceller 1,2,3, særlig ifølge anordningen ifølge figur 7, hvorved byggeelementene mellom brenselscellene av illustrasjonshensyn, i likhet med strømkollektorene, mellomleggene og skilleplatene ikke er nærmere angitt. En ekstern tilførselseskanal 14 for brenslet (CH4), som står vinkelrett på plateflata, er antydet, mens den eksterne tilførselskanal for oksygenbæreren (02) kun er angitt med ei pil 15 parallelt med plateflata. Strømningsretningen for gassene og klemmenes polaritet er ifølge beskrivelsen ovenfor også angitt.

Fra figur 9 og 10 framgår det at brenselscellene er utformet som moduler, som kan utformes i serie eller rekker, hvorved fig. 9 viser en stabel av brenselsceller dannet av to serier. Figur 10 viser viser i perspektiv en brenselscelle-blokk bestående av fire moduler, men oppfinnelsen er naturligvis ikke begrenset av modulantallet.

Figur 11 viser et skjematisk snitt gjennom to inntilliggende brenselsceller med mellomliggende skilleplater forsynt med kanaler. Mellom to brenselsceller betegnet 1,2,3 ligger strømkollektorene 12 og 13 og de gassgjennomtrengelige mellomleggene 11 (høyelastiske mellomledd) såvel som skilleplata 6. Sistnevnte, utført som

hullegeme, oppviser i dette tilfellet flere kanaler og åpninger for å lede de gassformige mediene. Henvisningstall 19 angir kanalen for tilførsel av oksygenbæreren (02), mens henvisningstall 20 angir tilførselen for brenslet (CH4). Henvisningstall 21 angir kanalen for fjerning av restoksygen og ballastgass (N2) på oksygensiden, mens 22 angir utløpet for reaksjonsproduktene (C02, H20) på brenselssiden. Henvisningstall 23 viser en spesiell kanal for tilførsel av reaksjonsgasser (H20, C02), som brenselscelleanordningen dessuten her tilføres for gjennomføring av spesielle kjemiske konverteringsreaksjoner utenfra. Henvisningstall 24 angir en åpning for tilførsel av oksygenbærer (02) til brenselscella 1,2,3. Henvisningstall 25 angir en åpning for tilførsel av brenslet (CH4) til brenselscella 1,2,3. Henvisningstall 26 angir en åpning for fjerning av restoksygen og ballastgass (N2) og 27 angir en åpning for fjerning av reaksjonsproduktene (C02, H20) fra brenselscella 1,2,3. Henvisningstall 28 angir en åpning mellom nabokanaler for den søkte blanding av gassformige medier, h.h.v. for å innlede konverteringsreaksjonen. Henvisningstall 29 er et porøst byggelement for tilførsel av oksygenbæreren (02), som har hovedsakelig samme funksjon som åpningen 24. Et tilsvarende porøst byggelement 30 tjener som tilførsel for brenslet (CH4) og har samme funksjon som åpningen 25. Henvisningstall 31 er et porøst byggelement for fjerning av restoksygen og ballastgass (N2), som har samme funksjon som åpningen 26. Ved 32 er det angitt et porøst byggelement som tjener som avløp for reaksjonsproduktene (C02, H20) og som har samme funksjon som åpningen 27. Det porøse byggelementet 33 mellom nabokanaler har samme funksjon som åpningen 28. Åpningene og de porøse byggelementer i skilleplata 6 kan naturligvis også vilkårlig anbringes i andre kombinasjoner enn angitt i figur 11. I figur 12 er det illustrert et skjematisk snitt gjennom tre varianter av berøringskonturen mellom skilleplate og gasspermeabelt mellomlegg. Henvinsningstall 6 angir den gasstette skilleplata formet som hullegeme, tallet 8 angir en åpning i skilleplata og 11 det keramiske gassgjennomtrengelige mellomlegget i form av skinn eller filt som virker som høytemperaturbuffer vinkelrett på plateflata. Ifølge variant a oppviser skilleplata 6 ei profilert ytre flate 34, mens mellomlegget 11 er avgrenset av ei flate. I variant b er det helt motsatt: mellomlegget 11 har ei profilert ytre flate 35, mens konturen av skilleplata 6 er plan. Ifølge variant c er ytterflata såvel som skilleplata 6 samt mellomlegget 11 avgrenset av ei flate. Mellom skilleplata 6 og mellomlegget 11 finnes i dette tilfellet et profilert strømningsførende element 36.

Figur 13 viser skjematisk to varianter av skilleplata med ulik transport av de gassformige mediene. I begge tilfellene oppviser skilleplata 6 en kanal 7 og er forsynt med en skaftformig framstikkende forlengelse 16, som i sin ytterste ende er forsynt med intern tilførsel 10 for brensel (CH4). Henvisningstall 8 angir åpninger i skilleplata 6. Strømningsretningene av brenslet (CH4) er antydet med piler, og strømlinjene med finpunkterte linjer. Henvisningstall 37 angir en del av skilleplata 6 som i området ved etterforbrenningen danner en varmevekslende del. Henvisningstall 38 er projeksjonen av den egentlige aktive brenselscelleplata på plateflata. I tilfellet med variant a er delen 37 dannet som en leppeformig forlengelse og dens instrømning med brensel (CH4) følger over det indre av skilleplata 6, mens delen 37 ifølge variant b kan opptas som forlengelse av ei hulramme som omslutter skilleplata 6, som befinner seg i etterforbrenningssonen som omgir skilleplata 6 og er dessuten sterkt oppvarmet, hvorved varmen tilført ved høyere temperatur for gjennomføring av den endoterme konverteringsreaksjonen av brenslet (CH4) utnyttes.

Det ble framskaffet en stabel av 20 brenselsceller og tilsvarende ekstra nødvendige byggelementer for den elektriske strømføring og den mekaniske enhet. Den egentlige brenselscella besto av en keramisk, plateformig, skarpkantet, plan faststoffelektrolytt 1 av stabilisert, dopet Zr02 med bredde 100 mm, lengde 110 mm og tykkelse 0.25 mm. Faststoffelektrolytten ble på en side med kvadratisk flate med sidelengde 100 mm belagt med en porøs oksygenelektrode 2 av Sr-La/Mn-Perowskit og en tykkelse på 0,09 mm. Brenselselektroden 3 på et tilsvarende areal og tykkelse 0.05 mm besto av Ni/Zr02-kermet og ble på tilsvarende måte anbrakt på den andre siden av faststoffelektrolytten 1.1 overens-stemmelse med dette forble ei 10 mm bred stripe på begge smale sider ubelagt av faststoff-elektrolytt 1. På oksygenelektroden 2 ble det pådampet et 10 mm tykt Cr-overflatesjikt 4, og på brenselselektroden 3 et like tykt Ni-overflatesjikt 5.

Den gasstette skilleplata utformet som hullegeme ble framstillt av to skålformige blikkelementer med tykkelse 0.1 mm bestående av en tennbestandig Fe-Cr-Al-legering ifølge DIN CrA120 5 og materialnummer 1.4767. Legeringen hadde følgende sammensetning i vektprosent: 20Cr-5Al-0.8Si-0.7Mn-0.08C-Fe.

Begge skallhalvdelene ble langs kanten om hele omkretsen sveiset gasstett og i det midtre området med noen punktsveiser forbundet til en kanal 7 med hul struktur. På brenselssiden ble det anbrakt 4 rader å 5 hull med diameter 0.5 mm i området ved den egentlige brenselscella 1,2,3, hvorigjennom brenslet (CH4) kunne tre ut vinkelrett på plateflata. Skilleplata 6 var forsynt med en 100 mm lang skaftformig framstikkende forlengelse 16, som dannet den interne tilførsel 10 for brenslet (CH4). Tilførselen 10 for brenslet (CH4) skjedde konkret over en ringformet keramikkdel med radiell åpning, som befant seg ved tilførselsenden av forlengelsen 16 mellom skallhalvdelene. Skilleplata 6 ble på begge sidene i hjørneområdene hver belagt med et keramisk gasspermeabelt mellomlegg 11 av en 1 mm tykk Zr02-filt (Vlies), som virket som høytemperaturbuffer. På mellomlegget 11 ble det på oksygensiden av strømkollektoren 12 belagt en finmasket metallduk av en varmebestandig Ni-Cr-legering med handelsnavn Inconel 690 (INCO) med sammensetning (i vekt%) 30Cr-9.5Fe-0.03Fe-Ni.

På brenselssiden ble strømkollektoren 13 i form av en tilsvarende finmasket duk av nikkel belagt på mellomlegget 11, og sveiset på de framspringende kantene av bredsiden med strømkollektor 12 ved oksygensiden. På denne måten ble det sikret en strømovergang fra en side av skilleplata 6 til den andre siden uavhengig av visse driftsparametre.

Det ble laget tilsammen 21 plateformige legemer, hver bestående av ei hul skilleplate 6, to keramiske, gasspermeable mellomlegg 11 og en strømkollektor 13 på brenselssiden. Likeledes ble det laget totalt 20 keramiske plater bestående av faststoffelektrolytt 1, oksygenelektrode 2 og brenselelektrode 3. Deretter ble vekselvis skilleplate-elementene og brenselscelleplatene plassert etter hverandre og montert sammen. Hele stabelen ble etter utøvelse av en kraft på 200 N virkende vinkelrett på plateflata trykt sammen og opptatt i ei utenforliggende metallisk ramme i denne forspente tilstand. Det midlere flatetrykket i stabelen var omlag 20 kPa.

Brenslet (CH4) ble tilført over en ekstern tilførselskanal 14 ved nedre ende av forlengelsen 16 av skilleplata 6, som var forsynt med en åpning. Tilførselskanalen 14 hadde form av et gjennomgående rør forsynt med spalter i siden, som ved tilførselsenden var forsynt med en sekskantdel og ved den andre enden med gjenger med en mutter. På begge endene av dette røret såvel mellom hver av de to nabo-skilleplatene 6 var det for å tette brenslet (CH4) anbrakt tetningselementer 17 av polytetrafluoretylen. På begge endene av stabelen, holdt sammen av den metalliske ramma, var det anordnet elektrisk isolerende keramikkplater av A1203. På den siste strømkollektor 12 henholdsvis 13 var det til hver sveiset ei elektrisk klemme + h.h.v.

Brenselscellestabelen ble bygget inn i en innretning, som nedenfra ble tilført forvarmet luft som oksygenbærer med et svakt overtrykk. Etter igangsetting av luftstrømmen og brenseltilførselen 14 ble gassene ført atskilt gjennom brenselscella antent elektrisk i etterforbrenningssonen. Forbrenningsvarmen ble derved overført til omgivelseslufta via en varmeveksler integrert i innretningen. Over en ekstern tilførselskanal 15 ble lufta forvarmet på denne måten ført inn over den interne tilførselen 9 i kanalen dannet av utsiden av den profilerte skilleplata 6 for oksygenbærer i området ved brenselscella. Disse ble også oppvarmet av luftstrømmen langsmed oksygensiden i retning oppover.

Etter å ha oppnådd en temperatur på omlag 650 °C startet den elektrokjemiske omsetning av brenslet (CH4) i dette tilfellet H2. Dette brenslet strømmet ved denne temperaturen fremdeles i store deler ubenyttet gjennom brenselscella, selv om det ved ved svært lave strømtettheter allerede kunne fastslås en elektrisk spenning. Brenslet som strømmet ut av stabelen ble i etterforbrenningssonen, som befant seg direkte bak brenselscella, brakt til å reagere med den varme lufta og forbrent, hvorved den frigitte varme ble overført i varmeveksleren for videre oppvarming av den tilførte lufta. På denne måten oppnådde brenselscellene i løpet av kort tid (ca. 30 minutter) en temperatur på 850°C, hvorved den elektrokjemiske omsetning av brenslet med oksygen satte i gang fullstendig.

Brenselscelleanordningen ble med en innebygget termostat innstillt på en driftstemperatur på 850°C. Når denne temperaturen var oppnådd ble brenselstrømmen ført inn over en regulator slik at det ble oppnådd en elektrokjemisk omsetning på 50%. Over en annen regulator ble oksygenbæreren (luft) innstillt slik at det ble holdt en konstant driftstemperatur på 850°C. Ved en nominell strømtetthet på 0.2 A/cm<2>ensidig, aktiv elektrodeoverflate ble det ført en fast normalstrøm på 20 A. Cellespenningen antok gjennomsnittlig 0.73 V, den totale spenning over stabelen (20 celler) 14.6 V og effekt 282 W. Den midlere omsetningsintensitet per brenselscelleoverflate (effekttetthet) antok følgelig 0.146 W/cm2.

Claims

1. Anordning for konvertering av kjemisk energi i et brensel til elektrisk energi med et flertall parallelt lagvis anordnete høytemperaturbrenselsceller med en faststoffelektrolytt (1), en oksygenelektrode (2), en brenselelektrode (3), ei skilleplate (6) mellom nabo-brenselsceller, med strømkollektorer (12,13) mellom ei skilleplate (6) og hver av de overfor hverandre anordnete elektroder for å gi en elektrisk ledende forbindelse mellom tilstøtende brenselceller såvel med organ for tilførsel og fjerning av de gassformige medier, karakterisert vedat oksygenelektroden (2) omfatter SrO-dopet manganoksid med et overfatesjikt (4) av krom, og brenselelektroden (3) omfatter Ni/Zr02-kermet med et overflatesjikt (5) av Ni, skilleplata (6) er formet som et hullegeme for overføring og fordeling samt samling av gassformig medium, og at det mellom skilleplata (6) og strømkollektorene (12,13) er anordnet et høyelastisk byggelement, med virkning som høytemperaturbuffer, i form av et gassgjennomtrengelig mellomlegg (11).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert vedat flatene av de plateformige brenselscellene (1,2,3) er anordnet vertikalt, hvorved hver skilleplate (6) til overføring, fordeling og samling av de gassformige medier er forsynt med kanaler (7) og åpninger (8) og/eller at det er anordnet minst en ekstern tilførselskanal (14) for brenslet (CH4) i brenselscellestabelen vinkelrett på plateflatene og minst en ekstern tilførselskanal (15) parallelt med plateflatene for oksygenbæreren (02).

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat skilleplata (6) er forsynt med en forlengelse (16) som rager utover brenselcelleelementenes (1,2,3) ytre dimensjoner, for på denne måten å tilføre det gassformige mediet i anordningens kalde område.

4. Anordning ifølge et av kravene 1 til 3, karakterisert vedat skilleplata (6), for strømningsmekanisk optimal tilførsel av brenslet (CH4) og oksygenbæreren (02) og fjerning av restbrensel fra reaksjonsproduktene og/eller restoksygenet såvel som ballaststoffer med kvasi-isoterm driftsområde av brenselscella (1,2,3) over hele plateflata, er utformet med profiler over hele plateflata og/eller hver med en gruppe kanaler (19 til 23), hvorved kanalene (19 til 23) er forsynt med med tilsvarende åpninger (24 til 27), innrettet med brenselselementene (1 til 3) og/eller porøse byggelementer (29 til 32) og/eller med åpninger (28) og/eller porøse byggelementer (23), mellom nabokanaler (20,23).

5. Anordning ifølge et av kravene 1 til 4, karakterisert vedat strømkollektoren (13) på brenselssiden er fast forbundet med nikkelsjiktet (5) ved brenselelektroden (3) og strømkollektoren (12) på oksygensiden er fast forbundet med kromsjiktet (4) på oksygenelektroden (2) og at de perifere delene av strømkollektorene (12,13) er fast forbundet sideveis og elektrisk ledende med hverandre og/eller med skilleplata (6).

6. Anordning ifølge et av kravene 1 til 5, karakterisert vedat det gassgjennomtrengelige mellomlegget (11) er dannet av et metallisk eller keramisk filt- eller skinnaktig, høy elastisk, gassgjennomtrengelig materiale som virker som strømningsfordeler for det gassformige mediet og/eller som varmeledende element.

7. Anordning ifølge et av kravene 1 til 6, karakterisert vedat faststoffelektrolytten (1) anvendes som Bi203 dopet med Y203 og/eller at skilleplata (6) anvendes som en Fe-legering forsynt med et beskyttende overflatesjikt av A1203 og/eller at det anvendes en katalysator (18) i skilleplatas (6) hulrom på brenselssiden for å framskynde den endoterme konverteringsreaksjonen og vann/gass-likevekten.