WO1996007212A1 - Feststoffelektrolyt-hochtemperatur-brennstoffzelle und brennstoffzellen-anordnung - Google Patents

Feststoffelektrolyt-hochtemperatur-brennstoffzelle und brennstoffzellen-anordnung Download PDF

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WO1996007212A1
WO1996007212A1 PCT/DE1995/001169 DE9501169W WO9607212A1 WO 1996007212 A1 WO1996007212 A1 WO 1996007212A1 DE 9501169 W DE9501169 W DE 9501169W WO 9607212 A1 WO9607212 A1 WO 9607212A1
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temperature fuel
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a solid electrolyte high-temperature fuel cell with an anode and cathode having a solid electrolyte element, in which a gas supply with a gas channel leading over the anode and an air supply with an air channel leading over the cathode and a discharge line for the exhaust gas are provided.
  • the invention further relates to a fuel cell arrangement.
  • a process takes place in a fuel cell, in which fuel gas is electrochemically converted with oxygen and electrical power is directly generated.
  • the reaction partners are supplied in separate chambers, the gas channels and the air channels, the chambers carrying fuel and oxygen being separated from one another by the ceramic solid electrolyte element which is provided with the electrodes.
  • electrons are emitted at the fuel-side electrode of the solid electrolyte and electrons are taken up at the oxygen-side electrode of the solid electrolyte. This results in a potential difference at the two electrodes of the solid electrolyte.
  • the function of the solid electrolyte is to separate the reactants, to transfer the charge in the form of ions and at the same time to prevent an electron short circuit between the two electrodes of the solid electrolyte. To this end, he must have a low conductivity for Elektro ⁇ NEN un d auf ⁇ have both a high conductivity for ions.
  • Solid electrolyte high-temperature fuel cells are suitable due to the relatively high operating temperatures - they are in the range of 800 - 1100 ° C - in contrast to low-temperature fuel cells, in addition to hydrogen gas also hydrocarbons such as natural gas or liquid storable propane. With solid electrolyte high-temperature fuel cells, high power densities can be achieved, which are of the order of magnitude in the range of several 100 mW per cm 2 .
  • the ⁇ a zelne high temperature fuel cell generates an idling oltage S of about 0.7 V. Higher voltages he ⁇ require the series connection of several individual cells.
  • reaction zone changes the material properties. For example, an electrical insulator become electrically conductive or vice versa. Furthermore, the reaction zone often means a corrosion zone, which can also lead to damage (breakage, leakage, etc.) of components and joining material in long-term operation.
  • the object of the invention is to create a fuel cell or a fuel cell arrangement in which the difficulties mentioned are largely avoided.
  • This Aufga b e is inventively achieved in that perpendicular Anlagenord d as solid electrolyte element of a ⁇ nenden, open-topped, bottom-closed hollow body made of a ceramic electrolyte material, on the inner surface of the anode and on the outer
  • the cathode are applied and in which the gas channel, which is also the anode chamber, extends, which is fed from the opening into the or at the bottom of the hollow body gas supply, and that the hollow body, the solid electrolyte member constituting the cathode side to A opening gap from a further, below up to the Mün ⁇ the air supply dung closed element made of high temperature resistant material is encased, besides, between the hollow body and the this enveloping element before space befindli- the cathode space and at the same time forms the air duct and the gas and air duct leaving the gas-air above mixture out of the element ge to the exhaust line leads ⁇ is.
  • the fuel cell according to the invention is made up of two parts, the hollow body and the element enveloping it, which do not need to be joined together. This avoids the usual gas-tight joining of components made of different materials.
  • the two sections are put together or boxed together so that no rigid connection is necessary.
  • hollow body is of elongated cross section and opposing inner sides which are separate from one another are covered with anode material, then the two anode surfaces lying opposite one another can be connected to one another in an electrically conductive manner within the hollow body.
  • a wire mesh or webs of anode material, which can be porous, can be provided for the electrical connection.
  • Anode and cathode are connected to electrical connections, which can be designed differently.
  • One possibility is given by attaching ("sintering") current-carrying wires to the electrode surface with high-temperature adhesives, as described, for example, in European patent applications 0 556 532 AI and 0 490 808 AI.
  • Another possibility is that short pieces of wire are firmly connected at one end to a conductor. The other end is pressed against the electrode so that the wire does not lose contact even at high temperatures.
  • the fuel cell according to the invention is distinguished from the known prior art by the fact that no interconnector (also called connecting plate ) is necessary.
  • This interconnector is a particular weak point in the usual high-temperature fuel cells, since it is exposed to particularly extreme requirements:
  • the element enveloping the hollow body projects above the hollow body, and the space in the element located above the hollow body forms an afterburning chamber for the gas-air mixture leaving the gas and air channels.
  • the dip tube passes through the N achbrennhunt what the preheating of the fuel gas is used.
  • the dip tube then also serves as a fuel gas reformer. An external unit that is otherwise required for this is omitted.
  • the immersion tube as the fuel gas supply element can be made of high-temperature steel, quartz glass or ceramic. It has no rigid, voltage-induced V er b and with the rest of the fuel cell.
  • a special embodiment of the fuel cell arrangement consists in that between two adjacent fuel cells a common air supply duct is provided, which opens into the air duct at the bottom and is connected to the air supply line at the top. It is expedient for the air supply ducts to extend over the outer surface of the element enveloping the hollow body.
  • an air preheating duct is provided on the front side of the fuel cells of the fuel cell stack and is fed from below through the air supply line and is connected to the air supply duct at the top.
  • the air supply is designed in such a way that - depending on the design of the air supply - external air preheating in a separate air heat exchanger is either completely unnecessary or only an external one
  • Low temperature heat exchanger is required. At least the high-temperature part of the air preheater is thus moved into the cell.
  • the elements enveloping the hollow body are attached to a common head plate.
  • the hollow body enclosing members at a joint head plate and the hollow body ⁇ are mounted on a common base plate. Since ⁇ are connected to the elements to an overall element verbind ⁇ bar.
  • the elements can be installed in the furnace chamber hanging from the top plate. There is then a free space between the furnace floor and the air supply elements, into which the elements can expand downwards.
  • the elements enveloping the hollow body can be made from all suitable high-temperature materials, regardless of the choice of material for the components of the legal cell stack.
  • Figure la shows a fuel cell in a section of a fuel cell arrangement as a longitudinal section through the arrangement and with additional cross sections;
  • Figure lb the fuel cell of Figure 1 with a plan view along section E / F;
  • Figure 2 a fuel cell arrangement in longitudinal section with an additional cross section along the line A / B;
  • FIG. 2c shows a fuel cell arrangement according to FIG. 2a in a longitudinal section and with a cross section along the line EF;
  • Figure 2d fuel cell arrangement according to Figure
  • the solid electrolyte element consists of a vertically arranged hollow body 2 which is open at the top and closed at the bottom except for the mouth of the gas duct 1.
  • the anode 3 is located on the inner surface of the hollow body.
  • the interior of the hollow body forms the anode compartment 4 and at the same time the fuel gas channel which is fed via the gas supply line la.
  • the hollow body 2 is enveloped by an element 5, which is closed down to the openings 6 of the air supply. These openings lead from below into the air duct 7, which is also a cathode compartment.
  • the cathode 8 is located on the outside of the hollow body 2. (With regard to the designation of the hollow body 2, the anode 3 and the cathode 8, see in particular the detail in FIG. 1b).
  • the element 5 enveloping the hollow body projects above the hollow body and forms the afterburning chamber 9 above the hollow body. From there, the exhaust gas reaches the exhaust gas line, which is not shown in FIG. 1. At the side of the air supply conduit, the element 5 enveloping the hollow body 2 na1 10 on, which is fed by the air supply line 11.
  • Figure lb shows a section in a section E / F the structure of the base elements from above.
  • FIGS. 2a to 2d show a fuel cell arrangement of at least three fuel cells.
  • the hollow body is completely closed at the bottom.
  • the fuel gas is fed through a dip tube 12 direct in the un ⁇ part of the hollow body.
  • the fuel gas supply 1b is located above the fuel cells, where the exhaust gas line 13 is also located. Is used to feed the air into the air duct 7, er ⁇ as illustrated particularly in Figure 2b is arranged, as well as in the embodiment shown in Figure 1 V ersion via the openings 6.
  • the air supply duct 10 is, however, do not have a top arranged Lucaszuker ⁇ tion (air supply 11, FIG. 1), but from an air preheating chamber 14 arranged on the end faces of the fuel cells (see FIG. 2a, section A / A and FIG. 2b, section C / C), from which the air via openings 15 into the air supply duct 10.
  • the air enters the air preheating chamber 14 - as can be seen in FIG. 2a, section A / A - via the opening 16 leading to the outside.
  • the arrangement of the fuel cell is shown in plan view in section E / E in FIG. 2c. In this Dar ⁇ sin position D, the front-side of the fuel cell V or maybermhuntn 14 can be seen.
  • a head plate 17 is provided on the material cell arrangement, to which and the element 5 enveloping the hollow body 2 is fastened.
  • the top plate can be seen in plan view from section G / H in Figure 2d.
  • the element 5 can also - not shown in the drawing - hang on the head plate or be carried by it and be closed at the bottom by a fixed plate.
  • the hollow body 2 then stands on this plate (not shown in FIG. 2).
  • the hollow body 2 stands in these cases on the bottom of the furnace.
  • the conductors of the individual fuel cells are the conductors of the individual fuel cells.
  • section E / F - led out of the fuel cell stack.
  • the electrical connection of the individual cells to a stack thus takes place at room temperature, i.e. outside the high temperature range.
  • This has the significant advantage that a material can be selected as the current conductor which, at high temperature, only has to withstand either the greatly reduced fuel gas atmosphere (anode space) or the strongly oxidizing air atmosphere (cathode space).
  • the anode current conductor either through a special protective tube which has a connection to the anode compartment or simply led out through the fuel gas supply tube; this is not shown in FIG. 2.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzelle. Mittels einer Gaszuführung wird über einen Gaskanal Gas an der Anode vorbeigeleitet. Eine entsprechende Luftzuführung leitet Luft über die Kathode. Ferner ist eine Ableitung für das Abgas vorgesehen. Erfindungsgemäß besteht das Festelektrolyt-Element aus einem senkrecht anzuordnenden, oben offenen, unten geschlossenen Hohlkörper (2) aus keramischem Elektrolyt-Material. Der Hohlkörper weist auf seiner inneren Oberfläche die Anode (3) und auf seiner äußeren Oberfläche die Kathode (8) auf. Im Hohlkörper verläuft der Gaskanal, der zugleich Anodenraum (4) ist. Er wird von einer im oder am Boden des Hohlkörpers mündenden Gaszuführung (1a) gespeist. Der Hohlkörper ist kathodenseitig mit Abstand von einem weiteren, unten bis auf die Mündung der Luftzuführung geschlossenen Element (5) aus hochwarmfestem Material umhüllt. Der dadurch entstehende Raum bildet den Luftkanal (7) und zugleich den Kathodenraum. Das den Gas- und Luftkanal verlassende Gas-Luft-Gemisch wird bei dieser Anordnung nach oben aus dem Element zur Abgasleitung geführt.

Description

B e s c h r e i b u n g
Feststoffelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzelle und Brennstoffzellen-Anordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Festelektrolyt- Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Anode und Kathode aufweisendem Festelektrolytelement, bei der eine Gaszu¬ führung mit über die Anode führendem Gaskanal und eine Luftzuführung mit über die Kathode führendem Luftkanal sowie eine Ableitung für das Abgas vorgesehen sind. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Brennstoff¬ zellen-Anordnung.
In einer Brennstoffzelle läuft ein Prozeß ab, bei dem Brenngas mit Sauerstoff elektrochemisch umgesetzt wird und dabei direkt elektrischer Strom entsteht. Die Reak¬ tionspartner werden in getrennten Kammern, den Gaskanä¬ len und den Luftkanälen, zugeführt, wobei die Brenn- stoff und Sauerstoff führenden Kammern durch das kera¬ mische Festelektrolyten-Element, das mit den Elektroden versehen ist, voneinander getrennt sind. Im Betrieb werden an der brennstoffseitigen Elektrode des Fest¬ elektrolyten Elektronen abgegeben und an der sauer- stoffseitigen Elektrode des Festelektrolyten Elektronen aufgenommen. An den beiden Elektroden des Festelektro¬ lyten stellt sich dadurch eine Potentialdifferenz ein. Der Festelektrolyt hat die Funktion, die Reaktanten zu trennen, die Ladung in Form von Ionen zu überführen und zugleich einen Elektronen-Kurzschluß zwischen den bei¬ den Elektroden des Festelektrolyten zu verhindern. Hierzu muß er eine niedrige Leitfähigkeit für Elektro¬ nen und zugleich eine hohe Leitfähigkeit für Ionen auf¬ weisen.
Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellen eignen sich infolge der relativ hohen Betriebstemperaturen - sie liegen im Bereich von 800 - 1100°C - im Gegensatz zu Niedertemperaturbrennstoffzellen dazu, außer Wasser¬ stoffgas auch Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Erdgas oder flüssig speicherbares Propan, umzusetzen. Mit Festelek¬ trolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind hohe Lei¬ stungsdichten erreichbar, die größenordnungsmäßig im Bereich von mehreren 100 mW pro cm2 liegen. Die ein¬ zelne Hochtemperatur-Brennstoffzelle erzeugt eine Leer- laufSpannung von etwa 0,7 V. Höhere Spannungen er¬ fordern die Serienschaltung mehrerer Einzelzellen.
Brennstoffzellen werden bekanntermaßen in Stapelbau¬ weise zu Brennstoffzellen-Anordnungen zusammengefügt. Dabei ist allen bekannten Stapel-Bauarten gemeinsam, daß die verschiedenen Stapelkomponenten an ihren Berüh¬ rungsstellen mit Fügematerial starr miteinander verbun¬ den sind, in diesem Zusammenhang bedeutet "Fuge" eine Verbindung von zwei unterschiedlichen Materialien mit einem festen Verbindungsmittel entsprechend einer Löt¬ verbindung. Die Funktion der Brennstoffzelle erfordert aber, daß die Komponenten notwendigerweise aus sehr verschiedenen Materialien gefertigt sind. Z.B. müssen die Materialien folgende sehr unterschiedliche Eigen¬ schaften haben, und dies bei einer hohen Temperatur von etwa 1000°C:
- Korrosionsfest in stark reduzierender Atmosphäre
(Brenngas); - Korrosionsfest in stark oxidierender Atmosphäre (Luft) ;
Ionen leitend, aber elektrisch isolierend (Elektrolyt) ; elektrisch isolierend (Gehäuse, Fügematerial); - elektrisch leitend (Verbindungselemente und elektri¬ sche Anschlüsse, Kontaktelemente zu Anode und Ka¬ thode) .
Dadurch entstehen die folgenden Schwierigkeiten bzw. Probleme:
Da die verschiedenen Materialien von Zellen-Kompo¬ nenten und Fügematerial mehr oder weniger unter¬ schiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, entstehen durch die starre Verbindung bei
Temperaturänderungen Materialspannungen, die bis zum Bruch der Komponenten führen können.
- Die intensive Materialverbindung mit Sinterglaskera- mik oder keramischen Hochtemperaturklebern (das üb¬ liche Fügematerial) bewirkt Reaktionszonen an der Phasengrenze zwischen Komponente und Fügematerial. Diese Reaktionszone verändert aber die Material¬ eigenschaften. So kann z.B. ein elektrischer Isola- tor elektrisch leitend werden oder umgekehrt. Im weiteren bedeutet die Reaktionszone auch häufig eine Korrosionszone, die im Langzeitbetrieb ebenfalls zu einer Beschädigung (Bruch, Undichtigkeit etc.) von Komponenten und Fügematerial führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brenn¬ stoffzelle bzw. eine Brennstoffzellen-Anordnung zu schaffen, bei der die genannten Schwierigkeiten weitge¬ hend vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Festelektrolytelement aus einem senkrecht anzuord¬ nenden, oben offenen, unten geschlossenen Hohlkörper aus keramischem Elektrolytmaterial besteht, auf dessen innerer Oberfläche die Anode und auf dessen äußerer
Oberfläche die Kathode aufgetragen sind und in welchem der Gaskanal, der zugleich Anodenraum ist, verläuft, der von der im oder am Boden des Hohlkörpers mündenden Gaszuführung gespeist wird, und daß der das Fest- elektrolytelement bildende Hohlkörper kathodenseitig mit Abstand von einem weiteren, unten bis auf die Mün¬ dung der Luftzuführung geschlossenen Element aus hoch- warmfestem Material umhüllt ist, dabei der zwischen dem Hohlkörper und dem diesen umhüllenden Element befindli- ehe Raum den Kathodenraum und zugleich den Luftkanal bildet und das den Gas- und Luftkanal verlassende Gas- Luft-Gemisch oben aus dem Element zur Abgasleitung ge¬ führt ist.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist aus zwei Teil¬ stücken, dem Hohlkörper und dem diesen umhüllenden Ele¬ ment, aufgebaut, die nicht aneinandergefügt zu werden brauchen. Damit wird die bisher übliche Gasdichtefügung von Komponenten unterschiedlicher Materialien vermie- den. Die beiden Teilstücke sind so zusammengestellt bzw. zusammengeschachtelt, daß keine starre Verbindung notwendig ist.
Wird das Brenngas von unten dem Gaskanal - beispiels¬ weise über einen Brenngaszufuhrkanal - zugeführt, dann ist lediglich eine umlaufende Fuge zwischen dem Hohlkörper und der BrenngasZuführung erforderlich. Diese Fuge muß jedoch keine Kräfte übertragen. Das Fugenmaterial muß deshalb nur abdichten. Es kann daher so ausgewählt werden, daß sich keine Reaktionszonen des Werkstoffes des Hohlkörpers mit dem des Brenngaszufuhrkanales bilden.
Ist der Hohlkörper von länglichem Querschnitt und sind voneinander getrennte, gegenüberliegende Innenseiten mit Anodenmaterial bedeckt, dann können die beiden ein¬ ander gegenüberliegenden Anodenflächen innerhalb des Hohlkörpers elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Zur elektrischen Verbindung können ein Drahtge- flecht oder auch Stege aus Anodenmaterial, das porös sein kann, vorgesehen sein.
Anode und Kathode sind mit elektrischen Anschlüssen verbunden, die verschieden ausgeführt sein können. Eine Möglichkeit ist durch das Befestigen ( "Ansintern") von stromführenden Drähten an der Elektrodenoberfläche mit Hochtemperaturklebern gegeben, wie dies beispielsweise in den europäischen Patentanmeldungen 0 556 532 AI und 0 490 808 AI beschrieben ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß kurze Drahtstücke an einem Ende mit einem Stromleiter fest verbunden sind. Das andere Ende ist so an die Elektrode gedrückt, daß der Draht auch bei hoher Temperatur den Kontakt nicht verliert.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle zeichnet sich ge¬ genüber dem bekannten Stand der Technik dadurch aus, daß kein Interkonnektor (auch Verbindungsplatte ge¬ nannt) notwendig ist. Dieser Interkonnektor ist eine besondere Schwachstelle bei den üblichen Hochtempera- tur-Brennstoffzellen, da er besonders extremen Anforde¬ rungen ausgesetzt ist:
- bei 1000°C gasdicht und elektrisch leitend,
- eine Seite reduzierendes Brenngas und andere Seite oxidierende Luft, - an Keramik angepaßter Ausdehnungskoeffizient,
- bei Übertemperatur verlötbar.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Brennstoffzelle gemäß der Erfindung, bei der ein in den Hohlkörper ra¬ gendes, unten offenes Tauchrohr vorgesehen ist, das oben an die Gasleitung angeschlossen ist, wird auch die oben erwähnte Fuge zwischen Hohlkörper und Brenngaszu¬ fuhrkanal vermieden. Der Hohlkörper ist dann unten ganz geschlossen, und das Gas wird dem Inneren des Hohlkör¬ pers durch das in den Hohlkörper ragende Tauchrohr zu¬ geführt. Diese Ausführungsform der Brennstoffzelle weist dann keinerlei Fuge zwischen unterschiedlichen Materialien auf.
Bei einer weiteren, sehr vorteilhaften Ausführungsform der Brennstoffzelle überragt das den Hohlkörper umhül¬ lende Element den Hohlkörper, und der oberhalb des Hohlkörpers befindliche Raum im Element bildet eine Nachbrennkammer für das den Gas- und den Luftkanal ver¬ lassende Gas-Luft-Gemisch. Ist zugleich ein Tauchrohr vorgesehen, dann verläuft das Tauchrohr durch die Nachbrennkammer, was der Vorwärmung des Brenngases dient. Das Tauchrohr dient dann außerdem als Brenngas- reformer. Ein hierfür sonst erforderliches externes Ag¬ gregat entfällt.
Das Tauchrohr als Brenngaszufuhr-Element kann insgesamt aus hochwar festem Stahl, aus Quarzglas oder aus Kera- mik gefertigt sein. Es hat keinen starren, spannungsin- duzierten Verbund mit der restlichen Brennstoffzelle.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch eine Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoff- zellen-Anordnung gelöst, die aus mehreren, in Serie ge- schalteten, unmittelbar benachbarten Brennstoffzellen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 6 besteht.
Eine besondere Ausgestaltung der Brennstoffzellen-An- Ordnung besteht dabei darin, daß zwischen zwei benach¬ barten Brennstoffzellen je ein gemeinsamer Luftzufuhr¬ kanal vorgesehen ist, der unten in den Luftkanal mündet und oben an die Luftzuleitung angeschlossen ist. Dabei ist es zweckmäßig, daß die Lu tzufuhrkanäle sich über die Außenfläche des den Hohlkörper umhüllenden Elemen¬ tes erstrecken.
In einer Weiterausgestaltung ist stirnseitig an den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels ein Luft- vorwärmkanal vorgesehen, der von unten durch die Luft¬ zuleitung gespeist wird und oben an den Luftzufuhrkanal angeschlossen ist.
Damit ist die Luftzufuhr so ausgestaltet, daß sich - je nach Auslegung der Luftzufuhr - eine externe Luftvor- wärmung in einem separaten Luftwärmetauscher entweder ganz erübrigt oder nur ein externer
Niederteraperaturwärmetauscher erforderlich ist. Zumin¬ dest der Hochtemperaturteil des Luftvorwärmers ist da- mit in die Zelle verlegt.
Da das den Hohlkörper umhüllende Element nicht fest mit dem restlichen Zellenteil verbunden ist, entstehen ent¬ sprechend den Form- und Maßtoleranzen kleine Spalte an den verschiedenen Berührungsstellen bzw. -flächen.
Falls die Luft mittels eines Abgasgebläses durch den Stapel gesaugt wird, treten somit kleine Luftmengen durch diese Spalte in den Stapel ein; dieses wird be¬ wußt in Kauf genommen, sie stören den Stapelbetrieb nicht. Bei einer weiteren Ausführungsform der Brennstoff¬ zellen-Anordnung sind die die Hohlkörper umhüllenden Elemente an einer gemeinsamen Kopfplatte befestigt. Der Boden des Brennstoffzellenofens, auf dem die Elemente ohne feste Verbindung stehen, bilden den unteren Ab¬ schluß der Elemente. Kleinere Undichtigkeiten, die bei Vorhandensein einer losen Kopfplatte im oberen Bereich auftreten, werden damit vermieden.
Im weiteren Ausbau sind die die Hohlkörper umhüllenden Elemente an einer gemeinsamen Kopfplatte und die Hohl¬ körper an einer gemeinsamen Bodenplatte befestigt. Da¬ mit sind die Elemente zu einem Gesamtelement verbind¬ bar. Die Elemente können hängend an der Kopfplatte in den Ofenraum eingebaut werden. Zwischen Ofenboden und Luftzufuhrelementen ist dann ein freier Raum, in den sich die Elemente nach unten ausdehnen können.
Die den Hohlkörper umhüllenden Elemente können aus al- len geeigneten hochwarmfesten Materialien gefertigt werden, unabhängig von der Materialauswahl für die Kom¬ ponenten des rechtlichen Zellenstapels.
Brennstoffzelle und Brennstoffzellen-Anordnung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert:
Es zeigen:
Figur la eine Brennstoffzelle in einem Ausschnitt aus einer Brennstoffzellen-Anordnung als Längsschnitt durch die Anordnung und mit zusätzlichen Querschnitten; Figur lb die Brennstoffzelle gemäß Figur 1 mit Draufsicht entlang Schnitt E/F; Figur 2a Brennstoffzellen-Anordnung im Längs¬ schnitt mit zusätzlichem Querschnitt längs der Linie A/B;
Figur 2b Brennstoffzellen-Anordnung gemäß Figur 2a im Längsschnitt mit zusätzlichem
Querschnitt längs der Linie C/D;
Figur 2c Brennstoffzellen-Anordnung gemäß Fi¬ gur 2a im Längsschnitt und mit Quer¬ schnitt längs der Linie E F; Figur 2d Brennstoffzellen-Anordnung gemäß Figur
2a im Längsschnitt und mit Draufsicht der Kopfplatte;
Wie aus Figur 1 hervorgeht, besteht das Festelektrolyt- element aus einem senkrecht angeordneten, oben offenen, unten bis auf die Mündung der Gasführung 1 geschlosse¬ nen Hohlkörper 2. Auf der Innenfläche des Hohlkörpers befindet sich die Anode 3. Der Innenraum des Hohlkör¬ pers bildet den Anodenraum 4 und zugleich den Brenngas- kanal, der über die Gaszuführung la gespeist wird. Der Hohlkörper 2 wird von einem Element 5 umhüllt, das un¬ ten bis auf die Öffnungen 6 der Luftzuführung geschlos¬ sen ist. Diese Öffnungen führen von unten in den Luft¬ kanal 7, der zugleich Kathodenraum ist. Die Kathode 8 befindet sich auf der Außenseite des Hohlkörpers 2. (Hinsichtlich der Bezeichnung des Hohlkörpers 2, der Anode 3 und der Kathode 8 siehe insbesondere den Aus¬ schnitt in Figur lb).
Das den Hohlkörper umhüllende Element 5 überragt den Hohlkörper und bildet oberhalb des Hohlkörpers die Nachbrennkammer 9. Von dieser aus gelangt das Abgas zu der - in Figur 1 allerdings nicht dargestellten - Ab- gasleitung. An das den Hohlkörper 2 umhüllende Ele- ment 5 schließt sich seitlich der Luftzuleitungska- na1 10 an, der von der Luftzuleitung 11 gespeist wird.
Figur lb zeigt ausschnittsweise in einem Schnitt E/F den Aufbau der Basiselemente von oben.
Die Figuren 2a bis 2d zeigen eine Brennstof zellen-An¬ ordnung von mindestens drei Brennstoffzellen. Im Unter¬ schied zu der in Figur 1 dargestellten Version der Brennstoffzelle ist der Hohlkörper unten ganz geschlos¬ sen. Das Brenngas wird über ein Tauchrohr 12 in den un¬ teren Teil des Hohlkörpers 2 geführt.
Anders als bei der in Figur 1 gezeigten Version der Brennstoffzelle befindet sich die BrenngasZuführung lb oberhalb der Brennstoffzellen, wo sich auch die Abgas- leitung 13 befindet. Die Zuführung der Luft in den Luftkanal 7 erfolgt, wie insbesondere aus Figur 2b er¬ sichtlich ist, wie auch bei der in Figur 1 gezeigten Version über die Öffnungen 6. Der Luftzufuhrkanal 10 wird jedoch nicht über eine oben angeordnete Luftzufüh¬ rung (Luftzuführung 11, Figur 1) gespeist, sondern aus einer an den Stirnseiten der Brennstoffzellen angeord¬ neten Luftvorwärmkammer 14 (siehe Figur 2a, Schnitt A/A und Figur 2b, Schnitt C/C, aus der die Luft über Öff- nungen 15 in den Luftzufuhrkanal 10 gelangt. In die Luftvorwärmkammer 14 gelangt die Luft - wie aus Fi¬ gur 2a, Schnitt A/A ersichtlich ist - über die nach außen führende Öffnung 16.
In Figur 2c ist in Schnitt E/E die Anordnung der Brenn¬ stoffzelle in Draufsicht dargestellt. In dieser Dar¬ stellung sind auch die stirnseitig der Brennstoffzellen angeordneten Vorwärmkammern 14 zu erkennen.
Bei der in Figur 2 dargestellten Version der Brenn- Stoffzellen-Anordnung ist eine Kopfplatte 17 vorgese¬ hen, an der und das den Hohlkörper 2 umhüllende Element 5 befestigt ist. Die Kopfplatte ist in Draufsicht aus dem Schnitt G/H in Figur 2d zu sehen. Das Element 5 kann jedoch auch - in der Zeichnung nicht dargestellt- an der Kopfplatte hängen bzw. von dieser getragen werden und unten durch eine befestigte Platte abgeschlossen werden. In diesem Fall steht dann der Hohlkörper 2 auf dieser Platte (nicht in Figur 2 ge- zeigt) .
Der Hohlkörper 2 steht in diesen Fällen auf dem Boden des Ofens.
Die Stromleiter der einzelnen Brennstoffzellen sind
- wie in Figur 2c, Schnitt E/F schematisch dargestellt ist - aus dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt. Die elektrische Verbindung der Einzelzellen zu einem Stapel (in Serie oder parallel) erfolgt somit an Raumtempera- tur, d.h. außerhalb des Hochtemperaturbereichs. Dies hat den bedeutenden Vorteil, daß als Stromleiter ein Material ausgewählt werden kann, das bei Hochtemperatur entweder nur die stark reduzierte Brenngasatmosphäre (Anodenraum) oder die stark oxidierende Luftatmosphäre (Kathodenraum) aushalten muß. So wird z.B. der Anoden¬ stromleiter entweder durch ein spezielles Schutzrohr, das einen Anschluß an den Anodenraum hat oder einfach durch das Brenngaszuführungsröhr herausgeführt; dies ist nicht in der Figur 2 dargestellt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü e h e
1. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Anode und Kathode aufweisendem Festelektrolyt¬ element, bei der eine Gaszuführung mit über die Anode führendem Gaskanal und eine Luftzuführung mit über die Kathode führendem Luftkanal sowie eine Ableitung für das Abgas vorgesehen sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Festelektrolytelement aus einem senkrecht anzuordnenden, oben offenen, unten geschlossenen Hohlkörper (2) aus keramischem Elektrolytmaterial besteht, auf dessen innerer Oberfläche die Anode (3) und auf dessen äußerer Oberfläche die Kathode (8) aufgetragen sind und in welchem der Gaskanal, der zugleich Anodenraum (4) ist, verläuft, der von der im oder am Boden des Hohl¬ körpers mündenden Gaszuführung (la, lb) gespeist wird, und daß der das Festelektrolytelement bil¬ dende Hohlkörper (2) kathodenseitig mit Abstand von einem weiteren, unten bis auf die Mündung der Luftzuführung (11) geschlossenen Element (5) aus hochwarmfestem Material umhüllt ist, dabei der zwischen dem Hohlkörper (2) und dem diesen umhül¬ lenden Element (5) befindliche Raum den Katho¬ denraum und zugleich den Luftkanal (7) bildet und das den Gas- und Luftkanal (7) verlassende Gas-
Luft-Gemisch oben aus dem Element zur Abgaslei- tung (13) geführt ist.
2. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden einander gegenüberliegenden Anodenflächen innerhalb des Hohlkörpers (2) elek¬ trisch leitend miteinander verbunden sind.
3. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur elektrischen Verbindung der beiden Anodenflächen ein Drahtgeflecht vorgesehen ist.
4. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur elektrischen Verbindung der beiden Anodenflächen Stege aus Anodenmaterial vorgesehen sind.
5. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzelle ge¬ mäß Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein in den Hohlkörper (2) ragendes, unten of- fenes Tauchrohr (12) vorgesehen ist, das oben an die Gasleitung (16) angeschlossen ist.
6. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzelle ge¬ mäß einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das den Hohlkörper (2) umhüllende Element (5) den Hohlkörper überragt und der oberhalb des Hohlkörpers befindliche Raum im Element eine Nachbrennkammer (9) für das den Gas- und den Luftkanal (7) verlassende Gas-Luft-Gemisch bildet.
7. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Anordnung, bestehend aus mehreren, in Serie ge¬ schalteten, unmittelbar benachbarten Brennstoff¬ zellen nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Anordnung, bestehend aus mehreren, in Serie ge¬ schalteten, unmittelbar benachbarten Brennstoff¬ zellen nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen zwei benachbarten Brennstoffzellen je ein gemeinsamer Luftzufuhrkanal (10) vorgese¬ hen ist, der unten in den Luftkanal (7) mündet und oben an die Luftzuleitung angeschlossen ist.
9. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzelle nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Luftzufuhrkanäle sich über die Außenflä¬ che des den Hohlkörper umhüllenden Elementes er¬ strecken.
10. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Anordnung gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß stirnseitig an den Brennstoffzellen eine Luftvorwärmkammer (14) vorgesehen ist, die von unten durch die Luftzuleitung gespeist wird und oben an die Luftzufuhrkanäle (10) angeschlossen ist.
11. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Anordnung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die die Hohlkörper umhüllenden Elemente oben von einer gemeinsamen Kopfplatte (17) abgeschlos¬ sen sind und der Boden des Brennstoffzellenofens, auf dem die Elemente (15) ohne feste Verbindung stehen, den unteren Abschluß der Elemente bildet.
12. Festelektrolyt-Hochtemperatur-Brennstoffzellen- Anordnung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die die Hohlkörper (2) umhüllenden Ele¬ mente (15) von einer gemeinsamen Kopfplatte (17) getragen werden und unten durch eine gemeinsame
Bodenplatte abgeschlossen sind.
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