[go: up one dir, main page]

DE102005011669A1 - Hochtemperatur-Festelektrolyt-Brennstoffzelle und damit aufgebaute Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Hochtemperatur-Festelektrolyt-Brennstoffzelle und damit aufgebaute Brennstoffzellenanlage Download PDF

Info

Publication number
DE102005011669A1
DE102005011669A1 DE102005011669A DE102005011669A DE102005011669A1 DE 102005011669 A1 DE102005011669 A1 DE 102005011669A1 DE 102005011669 A DE102005011669 A DE 102005011669A DE 102005011669 A DE102005011669 A DE 102005011669A DE 102005011669 A1 DE102005011669 A1 DE 102005011669A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
cell according
fuel
hpd
channels
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102005011669A
Other languages
English (en)
Inventor
Horst Greiner
Joachim Grosse
Norbert Landgraf
Werner Merz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102004026714A external-priority patent/DE102004026714A1/de
Application filed by Siemens Corp filed Critical Siemens Corp
Priority to DE102005011669A priority Critical patent/DE102005011669A1/de
Priority to PCT/EP2005/052330 priority patent/WO2005117192A1/de
Priority to JP2007513917A priority patent/JP2008501217A/ja
Priority to US11/597,582 priority patent/US20080003478A1/en
Priority to EP05747895A priority patent/EP1751817A1/de
Priority to CA002568453A priority patent/CA2568453A1/en
Publication of DE102005011669A1 publication Critical patent/DE102005011669A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H01M8/1226Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material characterised by the supporting layer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H01M8/122Corrugated, curved or wave-shaped MEA
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1231Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte with both reactants being gaseous or vaporised
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425High-temperature cells with solid electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206Metals or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465Details of groupings of fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Eine Hochtemperatur-Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem HPD-Konzept, bei der eine poröse leitfähige Tragstruktur zur Gasleitung vorliegt, wobei die poröse leitfähige Struktur mit integrierter Gasleitungshohlstruktur auf der Tragstrukturoberfläche gegenüber einer planaren Oberfläche durch Formgebung partiell geometrisch vergrößert ist, so dass sich eine vergrößerte elektrochemisch aktive Oberfläche der Zelle ergibt, ist in der Patentanmeldung 102004026714.6 (Hauptpatent) beschrieben. Hierfür sind in die Tragstruktur integrierte Mittel zur Luftumlenkung von einer Richtung in weiteren Richtungen eingebracht.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem HPD-Konzept gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auch auf eine mit derartigen Brennstoffzellen aufgebaute Brennstoffzellenanlage. Eine solche Brennstoffzelle bzw. Brennstoffzellenanlage ist Gegenstand des Hauptpatentes.
  • Zur dezentralen Energieerzeugung sind stationäre Brennstoffzellenanlagen geeignet. Diese haben insbesondere Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit festkeramischem Elektrolyten, die als SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) bezeichnet werden.
  • SOFC-Brennstoffzellen sind in planarer und tubularer Gestaltung bekannt, was im Einzelnen in VIK-Berichte „Brennstoffzellen", Nr. 214, Nov. 1999, Seiten 49 ff., beschrieben wird. Speziell planare Brennstoffzellen können gefaltet hergestellt werden, wobei sich eine Brennstoffzellenanlage mit Stackaufbau aus einer Vielzahl von gefalteten Einzelbrennstoffzellen in einem monolithischen Block ergibt (s. „Fuel Cells and Their Applications" (VCH Verlagsgesellschaft mbH 1996) E4, Fig. E20.5). Derartige Brennstoffzellen haben sich bis heute nicht durchsetzen können.
  • Bei der tubularen Brennstoffzelle sind einzelne Brennstoffzellenröhren elektrisch hintereinander und/oder gruppenweise parallel geschaltet. Aus den tubularen Brennstoffzellen sind die so genannten HPD (High Power Density)-Brennstoffzellen entwickelt worden (s. „The Fuel Cell World (2004)" – Proceedings, p. 258–267), bei denen auf einem flachen, die Kathode bildenden Sinterkörper mit parallelen Ausnehmungen außen die Funktionsschichten, wie insbesondere der festkeramische Elektrolyt und die Anode, aufgebracht sind. Die Kathode dient mit ihren inneren Ausnehmungen als Luftelektrode und die Anode als Brennstoffelektrode. Zur Verbindung mehrerer derartiger HPD-Zellen sind auf einer Flachseite Interkonnektoren mit Nickelkontakten vorhanden. Gegenüber einzelnen tubularen Brennstoffzellen ist das HPD-Konzept leistungsfähiger, kompakter und insbesondere einfacher handhabbar.
  • Weiterhin ist aus der EP 0 320 087 B1 eine Brennstoffzellenanordnung bekannt, bei der in 4 eine Zick-Zack-Geometrie der Tragstruktur gezeigt ist. In der Beschreibung wird insbesondere auf die Zwischenstrukturen zur Gasführung abgestellt. Auf den Wirkungsgrad einer solchen Brennstoffzellenanordnung wird nicht eingegangen.
  • Mit der deutschen Patentanmeldung 10 2004 026714.6 (Hauptpatent) werden Brennstoffzellen vorgeschlagen, bei denen poröse Materialien die Tragstruktur für die elektrochemisch aktiven Funktionsschichten bilden. In diese Tragstruktur sind Gasleitungskanäle integriert. Der Teil der Tragstrukturoberfläche, der die elektrochemischen Funktionsschichten trägt, ist durch Formgebung geometrisch vergrößert, so dass sich eine vergrößerte elektrochemisch aktive Fläche und damit eine verbesserte Leistungsausbeute ergeben.
  • Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, die Gaszuführungsstrukturen in Brennstoffzellen zu vereinfachen. Gleichermaßen soll durch vereinfachte Gasanschlussmittel eine verbesserte Brennstoffzellenanlage geschaffen werden.
  • Die Aufgabe ist bezüglich einer einzelnen HPD-Brennstoffzelle durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bezüglich einer Brennstoffzellen-Anlage aus einem Bündel derartiger HPD-Brennstoffzellen ist die Aufgabe gemäß Patentanspruch gelöst. Jeweilige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Im Rahmen der Erfindung sind – wie beim Hauptpatent – verschiedene Ausführungen möglich. Dies sind im Einzelnen:
    • – Die Oberflächenstruktur hat in einer Richtung, d.h. in der Pressrichtung bei der Formgebung, eine gleichmäßige Form. Sie ist in dieser Form extrudierbar. Alternativ ist sie aus zwei Extrudaten/Folien zusammensetzbar.
    • – Die Oberflächenstruktur kann weiter vergrößert werden, z.B. nach der Formgebung.
    • – Die Oberflächenstruktur wird so geformt, dass mit Beschichtungsverfahren oder Tauchprozessen, eventuell in Kombination mit Sinterschritten zur nachfolgenden Verdichtung, die elektrochemisch aktiven Schichten, d.h. Anode, Elektrolyt, Kathode, vollflächig auftragbar sind. Unterbrochen werden die Funktionsschichten auf der ebenen Rückseite nur durch eine ebenfalls mit Beschichtungs- oder Tauchverfahren auftragbaren gasdichten Interkonnektorschicht für die Kontaktierung zur Nachbarzelle über geeignete Kontaktelemente. Es entstehen somit voll elektrochemisch funktionsfähige Einzelzellen.
    • – Bei der Erfindung sind unterschiedlichste Oberflächenstrukturen möglich. Beispiele dafür sind: Wellblechform oder keilförmig, womit ein „Triangel"-förmiges Design der Brennstoffzelle realisiert wird.
  • Bei der Erfindung wird vorteilhafterweise innerhalb der Zelle wechselweise eine „up/down"-Strömung zwischen einzelnen Zellkanälen erreicht, was durch den Gasführungsabschluss an einem Zellende gewährleistet ist. In diesem Zusammenhang sind aus der WO 03/012907 A1 zwar bereits HPD-Brennstoffzellen bekannt, bei denen jeweils paarweise in benachbarten Kanälen eine Richtungsumkehr der Luftströmung und anschließend ein seitlicher Luftauslass realisiert ist. Allerdings sind die dort vorgeschlagenen Lösungen nicht auf die hier beschriebene einseitig strukturierte Zellgeometrie übertragbar, da von planparallelen flachen Zellstrukturen gesprochen wird.
  • Mit vorliegender Erfindung ergeben sich nunmehr weitestgehende Gestaltungsmöglichkeiten bezüglich der Auswahl der Luftführungskanäle einerseits und Aufbau der Brennstoffzellenanlage mit zu Bündeln gestapelten Brennstoffzellen andererseits. Speziell die einfache Stapelbarkeit der einzelnen HPD-Brennstoffzellen durch die endseitigen Aufsetzteile und deren gasdichte Verlötung zu einem kompakten Modul ist gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung
  • 1 eine perspektivische Darstellung einer HPD-Brennstoffzelle mit am geschlossenen Ende angeordneten internen Mitteln zur Luftumlenkung,
  • 2 eine erste Alternative zu 1 mit externen Mitteln zur Luftumlenkung
  • 3 eine zweite Alternative zu 1 mit interner Verbindung aller Kanäle,
  • 4 eine perspektivische Darstellung des offenen Endes eines Brennstoffzellenbündels aus einzelnen HPD-Brennstoffzellen gemäß der 1 bis 3,
  • 5 eine Gesamtansicht eines Brennstoffzellenbündels zum Aufbau einer Brennstoffzellenanlage,
  • 6 einen Schnitt durch das Formteil am offenen Ende des Brennstoffzellenbündels gemäß 5 mit Mitteln zum Lufteinlass- und -auslass und
  • 7 eine Draufsicht auf das Brennstoffzellenbündel gemäß 5 von der Einlassseite her.
  • In den 1 bis 3 ist eine HPD-Brennstoffzelle 100 gezeigt. Sie besteht aus einer Keramikstruktur mit einer ebenen Basis 101 und einer darauf befindlichen Struktur 102 spezifischer Formgebung. Die Struktur 102 kann beispielsweise eine Wellen- oder eine Dreieckstruktur sein, wobei insbesondere der Scheitelwinkel α dieser Struktur vorgegeben ist. Beispielsweise können Winkel α von 60, 45 oder 30° vorgegeben sein.
  • Das Basisteil 101 und die Struktur 102 bilden eine gemeinsame Einheit und sind gemeinsam aus einem für SOFC-Brennstoffzellen geeigneten Keramikmaterial extrudiert.
  • Wesentliches Merkmal der Struktur gemäß 1 ist, dass die elektrochemisch aktive Oberfläche gegenüber der bekannten HPD-Brennstoffzelle mit ebener Oberfläche vergrößert ist. Dies wird beispielsweise bei einer Wellen- bzw. Dreieckstruktur („Triangel-Design") erreicht, wobei die Flanken zur zusätzlichen Oberflächenvergrößerung gestuft ausgebildet sein können.
  • Vorstehend beschriebene HPD-Brennstoffzellen können zum Aufbau einer Brennstoffzellenanlage gestapelt werden. Durch Einfügen einer komplementären Struktur in den jeweiligen Endbereichen der Brennstoffzelle wird ein stapelbares Brennstoffzellenbündel ermöglicht, das nach außen abgedichtet werden kann und verbesserte Gasanschlussmittel, insbesondere definierte Gasein-/-auslässe, aufweist. Es werden somit einzelne Module für die Brennstoffzellenanlage geschaffen.
  • Bei der so beschriebenen Brennstoffzelle wird im Inneren der Kanäle die Luft und wird in den offenen Kanälen an der Außenseite der Zellen das Brenngas geführt. Dabei wird von einem Ende der Brennstoffzelle im Allgemeinen jeweils in jedem zweiten Kanal die Luft eingebracht und erfolgt nach Durchleitung über die gesamte Brennstoffzellenlänge eine Umleitung und parallele Rückführung der Luft. Dies bedeutet, dass am Ende der Brennstoffzelle eine Luftumlenkung um 180° erfolgen muss.
  • Am offenen Ende wird die Luft vorteilhafterweise seitlich herausgeführt. Dies bedeutet, dass hier die Luft umgelenkt wird, so dass die Kanäle mit der rückgeführten Luft geöffnet werden und auf einen Verbindungskanal der Nachbarzelle treffen.
  • Wesentlicher Punkt ist zunächst die Luftumlenkung am geschlossenen Ende der Brennstoffzelle. Hierzu sind verschiedene Alternativen möglich, die im Einzelnen anhand der 1 bis 3 verdeutlicht werden.
  • In 1 ist eine derartige HPD-Brennstoffzelle mit geradzahliger Anzahl von Strömungskanälen 111, 111', ... dargestellt, beispielsweise mit acht Kanälen. Dabei sind jeweils zwei benachbarte Kanäle einander zugeordnet, d.h. die Luft wird in dem ersten Kanal vom offenen Ende zum geschlossenen Ende geleitet, dort zum benachbarten Kanal umgeleitet und in diesen Kanal zurückgeführt.
  • Sofern die HPD-Brennstoffzelle in geeigneter Weise extrudiert ist mit verdickten Verbindungsstegen in jeder zweiten Senke und eine hinreichende Stabilität hat, lässt sich die Verbindung von zwei benachbarten Kanälen 111, 111' in einfacher Weise durch einen Querkanal 112 erreichen. Dies bedeutet, dass von den acht Brennstoffzellenkanälen in 2 jeweils zwei benachbarte Kanäle am geschlossenen Ende den Querkanal 112 aufweisen. Die gesamte Anordnung ist am Ende durch eine Platte 110 abgeschlossen.
  • Alternativ zu 1 kann eine Zelle mit gleichmäßigen Senken beliebiger Kanalanzahl gewählt werden. Gemäß 2 sind in der Brennstoffzelle 100 mit Deckel 110 wiederum acht Kanäle 111, 111', ... vorhanden. In diesem Fall ist aber in jede oder in jede zweite Senke der Wellenstruktur ein Formteil 120, 120' eingebracht. Die Formteile 120, 120', ... haben jeweils einen Querkanal 121, 121', .... Über zugehörige Querkanäle 121, 121' in den einzelnen Brennstoffzellenkanälen 111, 111', .., wird dabei vom ersten Luftführungskanal 101 über den ersten Kanal 121', den Querkanal 113 und einen zwei ten Kanal 121' die Verbindung zum zweiten Luftführungskanal 101 hergestellt.
  • Bei den beiden Beispielen gemäß 1 und 2 ist eine gerade Anzahl von Luftführungskanälen vorhanden. Damit ist systememinent verbunden, dass in den beiden Randkanälen der HPD-Brennstoffzelle die Luftführung in umgekehrter Richtung erfolgt.
  • Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform gemäß 3 ist über das Ende der gesamten HPD-Brennstoffzelle 100 ein durchgehender Querkanal 115 eingeprägt. Dies bedeutet, dass alle acht Luftführungskanäle 111 bis 111', ... miteinander in fluidischer Verbindung stehen. Es kann somit durch Beaufschlagung einzelner Kanäle von der Eingangsseite bewirkt werden, dass die Luft über einen oder mehrere Kanäle herausströmt und in beliebigen anderen Kanälen zurückströmt. Dabei ist wiederum ein Deckel 110 und weiterhin ein Komplementärformstück 130 vorhanden.
  • Sofern bei der Brennstoffzelle gemäß 2 in jede Senke ein Teil eingelegt wird, ist auch bei dieser Ausführungsform ein durchgehender Querkanal möglich. Fertigungstechnisch werden die Teile aus gleichem Ausgangsmaterial als separate Grünlinge eingelegt und gemeinsam mit der Brennstoffzellenstruktur gesintert.
  • In 4 ist dargestellt, dass im Eingangsbereich der Brennstoffzelle 100 ebenfalls ein Komplementärteil 40 auf der Wellenstruktur aufliegt. Vorteilhaft ist in 4, dass Zuluft von unten zugeführt wird und dass die Wegführung der Luft seitlich über Öffnungen 141, 141', ... als diskrete Auslässe erfolgt. Die Brennstoffzelle 100 ist unten von einem Deckel 150 abgeschlossen, der als Grundplatte auch das geschlossene Komplementärteil 140 abdeckt.
  • In der 5 ist ein Brennstoffzellenbündel aus drei HPD-Brennstoffzellen 100, 100', 100'' mit einem Lufteinlass/-auslass gemäß 4 und einer Luftumlenkung gemäß 3 dargestellt. Dabei sind die Brennstoffzellen phasengleich zu einem Stack gestapelt, das in einem Behälter ohne Gasführungsstrukturen von einem Brenngas durchströmbar ist. Ein solcher Stack bildet den Kern einer Brennstoffzellenanlage.
  • Die einzelnen HPD-Brennstoffzellen 100, 100', 100'' haben bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils neun Kanale, so dass bei geeigneter Strömungsumlenkung entsprechend 3 an beiden Rändern die gleichen Strömungsverhältnisse vorliegen.
  • Es wird deutlich, dass in der Anordnung gemäß 5 die Luftströmung von unten nach oben („up"), im Endteil eine Umlenkung und dann von oben nach unten („down") erfolgt, wobei am unteren Ende die Luft seitlich herausströmt.
  • Prinzipiell kann die Anordnung des Brennstoffzellenbündels auch umgekehrt orientiert sein. Es ist auch eine horizontal ausgerichtete Anordnung möglich.
  • Die 6 zeigt den Querschnitt des Bündels 125 in der Ebene der seitlichen Luftauslässe. Erkennbar ist, dass in den einzelnen HPD-Brennstoffzellen 100, 100', 100'' die Luftführungskanäle 111ik (i = 1 – m, k = 1 – n) jeder zweien Spalte der phasengleich gestapelten Brennstoffzellen 100, 100', 100'' miteinander jeweils durch einen Querkanal 245 verbunden sind, der zu den äußeren Auslässen 141, 141', .., führt. Die Einlässe sind in dieser Darstellung singulär mit den einzelnen Lufteinleitungskanälen verbunden.
  • In der Draufsicht auf die untere Abdeckung ergeben sich demzufolge gemäß 6 einzelne Einlässe 241, die mit den offenen Luftführungskanälen 111i±1,k korrespondieren.
  • Die End- bzw. Stapelteile der 5 sind durch ein magnesiumoxidbasiertes Speziallot miteinander gasdicht verbunden und bilden kompakte Anschlussblöcke. Diese für die Brennstoffzellenfunktion inaktiven Bereiche sind mit dem Elektrolyten der aktiven Brennstoffzellen bedeckt, was in 6 durch die Schicht 215 angedeutet ist.
  • Entsprechend 5 ist mit den Anschlussblöcken 230 und 240 insgesamt eine stapelbare Anordnung eines Brennstoffzellenbündels für eine Brennstoffzellenanlage geschaffen. Zwischen den Anschlussblöcken ist genügend Raum, um in bekannter Weise die einzelnen HPD-Brennstoffzellen mittels eines Filzes oder Geflechtes aus Nickel (Ni) elektrisch zu verbinden.
  • Beim Aufbau der Brennstoffzellenanlage gemäß den 5 bis 7 ist besonders vorteilhaft, dass an den Enden der Brennstoffzellen jeweils kompakte Tragteile gebildet sind. Diese Teile bestehen aus den inaktiven Bereichen der einzelnen HPD-Brennstoffzellen und den Komplementärteilen für die Wellenstruktur, wobei – wie bereits erwähnt – in diesem Bereich die einzelnen Brennstoffzellen miteinander durch das Glaslot verbunden sind und der kompakte Verbund als Anschlussblock jeweils mit dem Elektrolytfilm umschlossen ist.
  • Die vorstehend beschriebenen Anordnungen gelten für alle bekannten Varianten von Tragstrukturen, und zwar für kathodengestützte, anodengestützte oder neutrale Strukturen. Neben der beschriebenen Wellen- bzw. Dreieckgeometrie der Brennstoffzellen gelten die beschriebenen Merkmale auch für andere Geometrien, wie sie im Hauptpatent beschrieben sind. Wesentlich ist die Vergrößerung der elektrochemisch wirksamen Oberfläche und die Umlenkung des Luftstromes in den Luftführungskanälen durch geeignete Mittel. Diese Mittel bewirken eine Richtungsumkehr am Zellende, insbesondere um 180°, oder am Auslass, insbesondere um 90°.

Claims (20)

  1. Hochtemperatur-Festelektrolyt-Brennstoffzelle nach dem HPD-Konzept, bei der eine poröse leitfähige Tragstruktur zur Gasleitung vorliegt, wobei die poröse leitfähige Struktur mit integrierter Gasleitungshohlstruktur auf der Tragstrukturoberfläche gegenüber einer planaren Oberfläche durch Formgebung partiell geometrisch vergrößert ist, so dass sich eine vergrößerte elektrochemisch aktive Oberfläche der Zelle ergibt, gemäß Patentanmeldung 10 2004 026714.6 (Hauptpatent), dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur integrierten Luftumlenkung von einer vorgegebenen Strömungsrichtung zu einer weiteren Strömungsrichtung vorhanden sind.
  2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Strömungsrichtung und eine zweite Strömungsrichtung eine Strömungsumkehr beinhalten.
  3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Strömungsrichtung und eine zweite Strömungsrichtung eine seitliche Ausströmung beinhalten.
  4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Strömungsrichtung ein sog. „UpFlow" und die zweite Strömungsrichtung ein sog. „DownFlow" ist.
  5. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Strömungsumkehr am Kanalende und Rückströmung in wenigstens einem Parallelkanal eine seitliche Ausströmung mit einem Winkel von 90° erfolgt.
  6. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Tragstruktur auf der aktiven Zellseite eine Wellenstruktur ist.
  7. Brennstoffzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalquerschnitte im Wesentlichen Dreiecksform haben.
  8. Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelwinkel (α) kleiner als 150° ist.
  9. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelwinkel (α) zwischen 90 und 30° ist.
  10. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken abgerundet sind.
  11. Brennstoffzelle nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken der Wellen- oder Dreieckstruktur gestuft sind.
  12. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei benachbarte Strömungskanäle (101, 101', ...) über Kanäle (111, 111', ...) fluidisch verbunden sind.
  13. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Strömungskanäle (101, 101', ...) über eine Quernut (131) fluidisch verbunden sind.
  14. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Luftumlenkung Formteile (120, 120', ...) aus gleichem Material wie die Tragstruktur mit Innenlumina (121, 121', ...) vorhanden sind, welche die benachbarten Strömungskanäle (101, 101', ...) fluidisch verbinden.
  15. Brennstoffzelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen benachbarter Strömungskanäle (111, 111', ...) Kanäle (122, 122', ...) aufweisen, die sich an die Innenlumina (121, 121', ...) der Formteile (120, 120', ...) anschließen.
  16. Brennstoffzelle nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile (120, 120', ...) und die HPD- Brennstoffzellen (100) durch Sintern zu einem Bauteil verbunden sind.
  17. Brennstoffzellenanlage mit wenigstens zwei Festelektrolyt-Brennstoffzellen nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 16, wobei die aktive Zellseite der einzelnen Brennstoffzelle eine vergrößerte Oberfläche gegenüber einer planaren Oberfläche aufweist, wobei eine Mehrzahl von Zellen ein Zellbündel als Stack bilden, gemäß Patentanmeldung 10 2004 026714.6 (Hauptpatent), dadurch gekennzeichnet, dass einzelne HPD-Zellen (100, 100', ...) miteinander verlötet sind, wobei an den Enden der Zellen (100, 100', ...) Blöcke (130, 140) als Abstandshalter eingefügt sind, von denen der Block (130) am geschlossenen Ende des Zellbündels (200) Mittel (112, 112', ...; 121, 121', ..., 122, 122', ...; 115) zur internen Luftumlenkung beinhaltet.
  18. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die HPD-Brennstoffzellen (100, 100', ...) zur Bildung eines Stacks (200) als Zellbündel periodisch phasengleich gestapelt sind.
  19. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Stack (200) in einem Behälter ohne Gasführungsstrukturen von einem Brenngas durchströmt wird.
  20. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur fluidischen Verbindung einzelner HPD-Brennstoffzellen (100, 100', ...) Auslassluft führende Luftführungskanäle (111ik ) über Querkanäle (245) miteinander verbunden sind.
DE102005011669A 2004-05-28 2005-03-14 Hochtemperatur-Festelektrolyt-Brennstoffzelle und damit aufgebaute Brennstoffzellenanlage Ceased DE102005011669A1 (de)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005011669A DE102005011669A1 (de) 2004-05-28 2005-03-14 Hochtemperatur-Festelektrolyt-Brennstoffzelle und damit aufgebaute Brennstoffzellenanlage
PCT/EP2005/052330 WO2005117192A1 (de) 2004-05-28 2005-05-20 Hochtemperatur-festelektrolyt-brennstoffzelle und damit aufgebaute brennstoffzellenanlage
JP2007513917A JP2008501217A (ja) 2004-05-28 2005-05-20 高温固体電解質型燃料電池及び該電池で構成された燃料電池装置
US11/597,582 US20080003478A1 (en) 2004-05-28 2005-05-20 High Temperature Solid Electrolyte Fuel Cell and Fuel Cell Installation Built with Said Fuel Cell
EP05747895A EP1751817A1 (de) 2004-05-28 2005-05-20 Hochtemperatur-festelektrolyt-brennstoffzelle und damit aufgebaute brennstoffzellenanlage
CA002568453A CA2568453A1 (en) 2004-05-28 2005-05-20 High temperature solid electrolyte fuel cell and fuel cell installation constructed using it

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004026714A DE102004026714A1 (de) 2004-05-28 2004-05-28 Tubulare Hochtemperatur-Festelektrolyt-Brennstoffzelle und damit aufgebaute Brennstoffzellenanlage
DE102005011669A DE102005011669A1 (de) 2004-05-28 2005-03-14 Hochtemperatur-Festelektrolyt-Brennstoffzelle und damit aufgebaute Brennstoffzellenanlage

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102005011669A1 true DE102005011669A1 (de) 2006-09-21

Family

ID=35004158

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102005011669A Ceased DE102005011669A1 (de) 2004-05-28 2005-03-14 Hochtemperatur-Festelektrolyt-Brennstoffzelle und damit aufgebaute Brennstoffzellenanlage

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20080003478A1 (de)
EP (1) EP1751817A1 (de)
JP (1) JP2008501217A (de)
CA (1) CA2568453A1 (de)
DE (1) DE102005011669A1 (de)
WO (1) WO2005117192A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007061650A1 (de) 2007-12-20 2009-06-25 Sebastian Hahn Tubulare Brennstoffzelle

Families Citing this family (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070160886A1 (en) * 2006-01-06 2007-07-12 Siemens Power Generation, Inc. Seamless solid oxide fuel cell
WO2008031518A1 (de) * 2006-09-14 2008-03-20 Siemens Aktiengesellschaft Dichtmittel für hochtemperatur-brennstoffzellen und verfahren zu dessen herstellung
US20110244354A1 (en) 2007-09-28 2011-10-06 Ines Becker Fuel Cell System and Method for Production Thereof
KR20100098497A (ko) * 2007-09-28 2010-09-07 지멘스 에너지, 인코포레이티드 고온 연료 전지의 전기 접촉 보조 수단 및 그의 제조 방법
DE102007050617A1 (de) * 2007-10-23 2009-04-30 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Brennstoffzellenanordnung mit in Schindelbauweise angeordneten Brennstoffzellen sowie Verwendungszwecke
RU2367065C1 (ru) * 2008-05-30 2009-09-10 Институт электрофизики Уральского отделения РАН Модифицированный планарный элемент (варианты), батарея электрохимических устройств и способ его изготовления
US8163353B2 (en) * 2008-07-08 2012-04-24 Siemens Energy, Inc. Fabrication of copper-based anodes via atmosphoric plasma spraying techniques
US8097384B2 (en) * 2008-07-08 2012-01-17 Siemens Energy, Inc. Solid oxide fuel cell with transitioned cross-section for improved anode gas management at the open end
DE102008049694A1 (de) * 2008-09-30 2010-04-01 Siemens Aktiengesellschaft Tubulare Hochtemperatur-Brennstoffzelle, damit aufgebaute Brennstoffzellenanlage und Verfahren zu deren Herstellung
DE102008049564A1 (de) * 2008-09-30 2010-04-01 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung einer tubularen Festelektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC) und zugehörige tubulare Brennstoffzelle
US8173322B2 (en) 2009-06-24 2012-05-08 Siemens Energy, Inc. Tubular solid oxide fuel cells with porous metal supports and ceramic interconnections
US20100325878A1 (en) * 2009-06-24 2010-12-30 Gong Zhang Bi Containing Solid Oxide Fuel Cell System With Improved Performance and Reduced Manufacturing Costs
US20110033769A1 (en) 2009-08-10 2011-02-10 Kevin Huang Electrical Storage Device Including Oxide-ion Battery Cell Bank and Module Configurations
US8163433B2 (en) * 2009-08-19 2012-04-24 Siemens Energy, Inc. Fuel cell integral bundle assembly including ceramic open end seal and vertical and horizontal thermal expansion control
US8460838B2 (en) * 2009-08-19 2013-06-11 Siemens Energy, Inc. Generator module architecture for a large solid oxide fuel cell power plant
ES2363294B1 (es) * 2009-10-09 2012-06-04 Ikerlan,S. Coop Pila de combustible de oxido solido
JP2011000586A (ja) * 2010-07-28 2011-01-06 Casio Computer Co Ltd 反応装置
US20120129058A1 (en) 2010-11-24 2012-05-24 Litzinger Kevin P Electrical Energy Storage Device
US9054366B2 (en) 2010-11-24 2015-06-09 Siemens Aktiengesellschaft Electrical energy storage device
KR101169549B1 (ko) * 2010-12-14 2012-07-27 주식회사케이세라셀 튜브형 고체산화물연료전지용 단전지 및 그 단전지를 이용한 스택 및 그 단전지 제조방법
WO2013093607A2 (de) * 2011-12-22 2013-06-27 Lipilin Aleksandr S Modifizierte planarzelle und stapel von elektrochemischen einrichtungen auf ihrer basis sowie verfahren zur herstellung der planarzelle und des stapels und eine form für die fertigung der planarzelle
KR101348967B1 (ko) * 2012-04-06 2014-01-16 한국에너지기술연구원 평관형 고체산화물 단위 셀, 이를 이용한 평관형 고체산화물 연료전지 및 평관형 고체산화물 수전해장치
DE102012211325A1 (de) * 2012-06-29 2014-01-02 Siemens Aktiengesellschaft Elektrischer Energiespeicher
DE102012211322A1 (de) * 2012-06-29 2014-01-02 Siemens Aktiengesellschaft Elektrischer Energiespeicher
KR101754374B1 (ko) * 2016-04-08 2017-07-06 동부대우전자 주식회사 냉장고용 제빙장치
DE102016009710B4 (de) * 2016-08-10 2021-05-06 Emz-Hanauer Gmbh & Co. Kgaa Kühl- oder Gefriergerät mit einem Eisbereiter
WO2018042478A1 (ja) * 2016-08-29 2018-03-08 FCO Power株式会社 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
EP4379871A1 (de) * 2022-11-29 2024-06-05 H2B2 Electrolysis Technologies, S.L. Festoxidzellenstapel aus einzelnen wiederholungseinheiten, jeder aus einer keramikzelle mit wellmembran und einer flachen metallischen verbindung
CN119674159B (zh) * 2025-02-20 2025-06-13 福赛尔(武汉)集成有限公司 固体氧化物燃料电池条单元、电堆单元、电堆及装配方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4476198A (en) * 1983-10-12 1984-10-09 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Solid oxide fuel cell having monolithic core
US4751152A (en) * 1987-04-06 1988-06-14 Westinghouse Electric Corp. High bulk self-supporting electrode with integral gas feed conduit for solid oxide fuel cells
US4874678A (en) * 1987-12-10 1989-10-17 Westinghouse Electric Corp. Elongated solid electrolyte cell configurations and flexible connections therefor
JPH01251562A (ja) * 1988-03-31 1989-10-06 Agency Of Ind Science & Technol 平板型固体電解質燃料電池
JPH01315959A (ja) * 1988-06-14 1989-12-20 Nkk Corp 固体電解質燃料電池
JPH02273465A (ja) * 1989-04-12 1990-11-07 Nkk Corp 固体電解質燃料電池の製造方法
US5185219A (en) * 1990-02-15 1993-02-09 Ngk Insulators, Ltd. Solid oxide fuel cells
US6379485B1 (en) * 1998-04-09 2002-04-30 Siemens Westinghouse Power Corporation Method of making closed end ceramic fuel cell tubes
US6361893B1 (en) 1999-11-26 2002-03-26 The United States Of America As Represented By The Department Of Energy Planar fuel cell utilizing nail current collectors for increased active surface area
KR20030051764A (ko) 2000-10-30 2003-06-25 마이클 에이. 코브 앤드 컴퍼니 개선된 고체 산화물 연료 셀
WO2003005462A2 (en) * 2001-01-05 2003-01-16 Georgia Tech Research Corporation Hybrid monolithic fuel cell
KR101067226B1 (ko) * 2002-05-29 2011-09-22 산요덴키가부시키가이샤 고체 산화물 연료 전지
US7989113B2 (en) * 2003-03-13 2011-08-02 Tokyo Gas Co., Ltd. Solid-oxide shaped fuel cell module
US7285347B2 (en) * 2003-11-03 2007-10-23 Korea Institute Of Energy Research Anode-supported flat-tubular solid oxide fuel cell stack and fabrication method of the same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007061650A1 (de) 2007-12-20 2009-06-25 Sebastian Hahn Tubulare Brennstoffzelle

Also Published As

Publication number Publication date
US20080003478A1 (en) 2008-01-03
WO2005117192A1 (de) 2005-12-08
JP2008501217A (ja) 2008-01-17
CA2568453A1 (en) 2005-12-08
EP1751817A1 (de) 2007-02-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102005011669A1 (de) Hochtemperatur-Festelektrolyt-Brennstoffzelle und damit aufgebaute Brennstoffzellenanlage
DE102005057045B4 (de) Bipolarplatte und deren Verwendung in einer Brennstoffzelleneinheit
EP1830426B1 (de) Bipolarplatte, insbesondere für einen Brennstoffzellenstapel eines Fahrzeugs
DE19528117B4 (de) Wärmeübertrager mit Plattenstapelaufbau
DE69905949T2 (de) Mehrschicht-verteileranordnung mit effizientem volumenausbau für elektrochemische brennstoffzellenstapel
EP0876686B1 (de) Flüssigkeitsgekühlte brennstoffzelle mit verteilungskanälen
DE112004002605B4 (de) Bipolare Platte mit vernetzten Kanälen und Brennstoffzellenstapel
DE69706065T2 (de) Integrierte fluidverteilerschicht für reaktant und kühlmittel für eine brennstoffzelle mit einer membran-elektroden-einheit
DE112007002407B4 (de) Brennstoffzelle
DE69832046T2 (de) Elektrolytische feststoffzelle
DE102004007203B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Metallseparators für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle
EP2356714B1 (de) Brennstoffzelle ohne bipolarplatten
DE19539959C2 (de) Brennstoffzellenanordnung
DE102008056900A1 (de) Bipolarplatte für eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere zur Anordnung zwischen zwei benachbarten Membran-Elektroden-Anordnungen in einem Brennstoffzellenstapel
EP3696298B1 (de) Elektrolyseblock und zellrahmen hierfür
EP2898115B1 (de) Elektrolyseblock sowie zellrahmen, elektrodenbaugruppe und bausatz hierfür
DE102018200673A1 (de) Bipolarplatte, Brennstoffzelle und ein Kraftfahrzeug
DE112004002358B4 (de) Feststoffoxid-Brennstoffzelle
DE102022121234A1 (de) Elektrochemischer Reaktionszellenstapel
DE102014202215A1 (de) Brennstoffzellenstapel sowie Verfahren zu seiner Montage
WO2020239472A1 (de) Energiespeichervorrichtung und fahrzeug
DE19636903C1 (de) Brennstoffzellenmodul
EP1243044B1 (de) Brennstoffzellenblock
DE102006056468A1 (de) Bipolarplatte, insbesondere für einen Brennstoffzellenstapel eines Fahrzeugs
DE102015223930A1 (de) Bipolarplatte sowie Brennstoffzelle

Legal Events

Date Code Title Description
AF Is addition to no.

Ref document number: 102004026714

Country of ref document: DE

Kind code of ref document: P

8131 Rejection