DE69220400T2 - Festoxidbrennstoffzellen enthaltendes Energieerzeugungsgerät - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Energie- bzw. Stromerzeugungsvorrichtungen, insbesondere Energieerzeugungsvorrichtungen, in denen mit Hilfe von Festoxidbrennstoffzellen elektrischer Strom erzeugt wird.
• In letzter Zeit fanden Brennstoffzellen als Energieerzeugungsquelle Beachtung. Die Brennstoffzelle kann chemische Energie eines Brennstoffs direkt in elektrische Energie umwandeln. Da die Brennstoffzelle nicht den Beschränkunen des Carnot'schen Kreisprozesses unteliegt, besitzt sie im wesentlichen einen hohen Wirkungsgrad der Energieumwandlung. Außerdem können verschiedene Brennstoffe, wie z.B. Erdgas, Methanol, kohlereformiertes Gas und Schweräl, mit geringem Schadstoffausstoß eingesetzt werden. Außerdem wird Wirkungsgrad der Energieerzeugung von Brennstoffzellen nicht durch die Größe bzw. den Maßstab der Vorrichtungen beeinflußt. Daher stellen Energieerzeugungsvorrichtungen unter Verwendung von Festoxidbrennstoffzellen ein äußerst vielversprechendes Verfahren dar.
• Insbesondere, weil die Festoxidbrennstoffzelle (nachstehend als SOFC abgekürzt) bei hohen Temperaturen von 1.000ºC oder mehr betrieben wird, ist die Aktivität ihrer Elektroden hoch, und die Verwendung eines Edelmetallkatalysators, wie z.B. von teurem Platin, ist nicht erforderlich. Da weiters die SOFC eine geringe Polarisation und eine relativ hohe Ausgangsspannung aufweist, ist der Wirkungsgrad der Energieumwandlung deutlich höher als bei den anderen Brennstoffzellen. Da die SOFC aus testen Materialien besteht, besitzt sie eine stabile Struktur und eine lange Lebensdauer.
• Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels für eine herkömmliche Energieerzeugungsvorrichtung unter Verwendung hohlzyl indrischer SOFCs.
• In Fig. 1 sieht man ein hohlzylindrisches SOFC-Element 5 mit Rundboden, umfassend ein zylindrisches, poröses Stützrohr 6 mit Rundboden, eine an dessen äußerem Umfang ausgebildete Luftelektrode 7 sowie einen Festelektrolyt 8 und eine Brennstoffelektrode 9, die in dieser Reihenfolge um den äußeren Umfang der Luftelektrode 7 herum angeordnet sind. Im allgemeinen sind mehrere solche SOFC-Elemente 5 in Serie und parallel geschaltet, um eine Sammelzelle zu bilden, die an einer bestimmten Position in einer Energiezeugungskammer 13 angeordnet ist. Man beachte jedoch, daß zur leichteren Beschreibung nur ein SOFC-Element in Fig. 1 zu sehen ist. An der unteren Seite der Energieerzeugungskammer 13 ist eine Brenngaskammer 14 angeordnet, die durch eine bodenseitige Trennwand 11 von der Energieerzeugungskammer 13 getrennt ist. Zusätzlich befindet sich an der unteren Seite der Brenngaskammer 14 eine wärmeisolierende Wand 12. An der oberen Seite der Energieerzeugungskammer 13 ist hingegen eine Abgaskammer 3 angeordnet, die durch eine oberseitige Trennwand 4 von der Energieerzeugungskammer 13 getrennt ist. In der oberseitigen Trennwand 4 befindet sich ein Loch 4a, durch das der öffnungsseitige Endabschnitt des SOFC-Elements 5 eingeschoben ist. An der oberen Seite der Abgaskammer 3 befindet sich eine wärmeisolierende Wand 1, und ein Zufuhrrohr 2 für oxidierendes Gas ist durch ein in der Wand 1 ausgebildetes Loch la eingeschoben und wird vom Durchgangsloch 1a gehalten. Eine am Ende befindliche Öffnung 2a im Zufuhrrohr 2 für oxidierendes Gas ist im Innenraum 10 des SOFC-Elements 5 positioniert.
• Bei Betrieb der hohlzylindrischen SOFC wird ein oxidierendes Gas in ein Zufuhrrohr 2 für oxidierendes Gas geleitet (siehe Pfeil A), dann wird der Strom des aus dem Rohr 2 zugeführten oxidierenden Gases im Bodenabschnitt des Elements 5 umgelenkt und das Gas durch den Innenraum 10 hindurch geführt und in die Abgaskammer 3 abgegeben (siehe Pfeile B). Wenn hingegen ein Brenngas durch ein in der wärmeisolierenden Wand 12 ausgebildetes Brenngaszufuhrloch 12a hindurch in die Brenngaskammer 14 hinein geleitet wird (siehe Pfeil C), steigt der Druck in der Brenngaskammer 14 auf hohe Werte; dann wird das Brenngas durch die in der Trennwand 11 ausgebildeten Brenngaszufuhrlöcher 11a in die Energieerzeugungskammer 13 hinein geführt (siehe Pfeil D). Anschließend wird das Gas entlang der Oberfläche der Brennstoffelektrode 9 des SOFC-Elements 5 nach oben geführt. Im Festelektrolyt 8 diffundierte Sauerstoffionen reagieren auf der Oberfläche der Brennstoffelektrode 9 mit dem Brenngas; in der Folge fließt elektrischer Strom zwischen der Luftelektrode 7 und der Brennstoffelektrode 9. Das verbrauchte Brenngas wird durch den zwischen der oberseitigen Trennungswand 4 und einem Öffnungsendabschnitt des SOFC-Elements 5 ausgebildeten Raum 4a hindurch in die Abgaskammer 3 abgegeben (siehe Pfeile E). Die in Fig. 1 dargestellte Energieerzeugungsvorrichtung ohne Dichtung wird bevorzugt, da das SOFC-Element 5 bei einer hohen Temperatur von etwa 1.000ºC betrieben wird.
• Um eine solche Energieerzeugungsvorrichtung in der Praxis zu verwenden, ist es erforderlich, ihre Herstellungskosten zu senken und die Stromdichte der Vorrichtung zu erhöhen. Aus diesem Grund muß die Länge des SOFC-Elements 5 vergrößert werden, um die Energieerzeugungsleistung pro SOFC-Element zu erhöhen.
• Bei der wie in Fig. 1 konstruierten Energieerzeugungsvorrichtung liegt jedoch ein Problem darin, daß aufgrund des Konzentrationsgradienten des Brenngasstroms in der Kammer 13 ein Temperaturgradient in der Energieerzeugungskammer 13 entsteht. D.h., in der Nähe der Durchgangslöcher 11a, durch die das Brenngas in die Kammer 13 getuhrt wird, ist der Brennstoffgehalt weiterhin hoch, sodaß dort eine große Brennstoffmenge durch eine elektrochemische Reaktion aufgebraucht wird, wodurch die Temperatur der Atmosphäre in der Nähe der Durchgangslöcher 11a ansteigt. Aufgrund des Temperaturanstiegs wird die elektrochemische Reaktion der Sauerstoffionen und des Brennstoffs auf der Brennstoffelektrode 9 immer stärker aktiviert.
• In einer bestimmten Entfernung von den Brennstoffzufuhrlöchern 11a nimmt die Konzentration des Brenngases allerdings ab, wodurch auch die elektrochemisch verbrauchte Brennstoffmenge sinkt. Daher kommt es im oberen Abschnitt der Brennstoffelektrode 9 zu keinem so großen Temperaturanstieg und zu keiner so starken Aktivierung der elektrochemischen Reaktion. Zusätzlich ist eine große Menge an CO&sub2;, Dampf usw. im Brenngas enthalten, dessen Konzentration verringert wurde, wobei das CO&sub2; oder Dampf an der Oberfläche der Brennstoffelektrode 9 anhaftet und die Reaktion beeinträchtigt. Die elektrochemische Reaktion wird somit an der oberen Seite der Kammer 13 immer inaktiver.
• Daher entsteht ein starker Temperaturgradient zwischen der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite des Brenngasstroms in der Kammer 13. Wenn die Energieerzeugungsvorrichtung über einen langen Zeitraum betrieben wird, verursacht der Temperaturgradient nicht nur Risse auf dem SOFC-Element 5, sondern beeinträchtigt auch dessen Wirkungsgrad der Energieerzeugung. Dies verstärkt sich, je länger das zylindrische SOFC-Element 5 in Betrieb steht.
• EP-A-0.242.200 beschreibt einen Brennstoffzellengenerator, in dem Brenngas über poröse Brennstoffzufuhrleitungen zugeführt wird, die sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Brennstoffzellen erstrecken. Der Brennstoff diffundiert über die gesamte aktive Länge der Brennstoffzellen aus den Leitungen heraus. EP-A-0.410.796 beschreibt einen ähnlichen Brennstoffzellengenerator, in dem die Brennstoffzufuhrleitungen entlang ihrer Länge voneinander beabstandete Öffnungen aufweisen. US-A- 4.983.471 schlägt auch ein System vor, um Brennstoff über die Länge von Brennstoffzellen zu verteilen, in diesem Fall durch Vorsehen eines zentralen Brennstoffverteilungsrohrs, das quer gerichtete Öffnungen speist.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer neuartigen Energieerzeugungsvorrichtung, worin der Gradient der Brennstoffkonzentration im Brenngasstrom in der Energieerzeugungskammer schwach ist, um den daraus resultierenden Temperaturgradienten in der Kammer zu verringern.
• Die Energieerzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt.
• Da die erfindungsgemäße Energieerzeugungsvorrichtung das Brenngaszufuhrmittel umfaßt, das für eine im wesentlichen gleichmäßige Brenngaskonzentration in der Energieerzeugungskammer in Längsrichtung der Festoxidbrennstoffzellenelemente sorgt, ist es möglich, die Bildung eines Temperaturgradienten aufgrund des Konzentrationsgradienten des Brenngasstroms in der Energieerzeugungskammer zu verhindern. Daher kommt es gemäß der Erfindung kaum zur Rißbildung auf den Festoxidbrennstoffzellenelementen, und der Wirkungsgrad der Energleerzeugung der Vorrichtung kann verbessert werden.
• In der erfindungsgemäßen Energieerzeugungsvorrichtung umfaßt das Brenngaszufuhrmittel eine Trennwand, die zumindest einen Teil einer Seitenwand der Energieerzeugungskammer bildet und vorzugsweise parallel zur Längsrichtung der SOFC-Elemente ausgebildet ist, wobei die Trennwand dazu dient, die Brenngaskammer von der Energieerzeugungskammer abzutrennen und das Brenngas über die Trennwand in die Energieerzeugungskammer zugeführt wird.
• Da gemäß vorliegender Erfindung das Brenngas über die Trennwand in die Energieerzeugungskammer geleitet wird, ist die Gaskonzentration des Brenngasstroms in der Energieerzeugungskammer selbst in der Energieerzeugungskammer in Längsrichtung der SOFC-Elemente im wesentlichen einheitlich.
• Man beachte, daß sich in der vorliegenden Erfindung Brenngas auf ein Gas bezieht, das Wasserstoff, reformierten Wasserstoff, Kohlenmonoxid usw. enthält; oxidierendes Gas bedeutet ein Gas, das ein Oxidationsmittel, wie z.B. Oxid und Wasserstoffperoxid, enthält.
• Fig. 1 ist eine teilweise im Querschnitt dargestellte Ansicht einer Konstruktion einer herkömmlichen Energieerzeugungsvorrichtung;
• Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht der Konstruktion einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Energieerzeugungsvorrichtung;
• Fig. 3 ist eine Teildraufsicht der in Fig. 2 dargestellten Konstruktion der ersten Ausführungsform;
• Fig. 4 ist eine im vergrößerten Maßstab gezeigte Draufsicht der in Fig. 3 dargestellten Konstruktion der ersten Ausführungsform;
• Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht der Konstruktion einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieerzeugungsvorrichtung; und
• die Fig. 6, 7 und 8 zeigen die Konstruktion einer zum Zwecke des Vergleichs mit der vorliegenden Erfindung dargestellten Energieerzeugungsvorrichtung.
• Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht einer zum Zwecke des Vergleichs mit der vorliegenden Erfindung dargestellten Energieerzeugungsvorrichtung, gesehen in zur Längsrichtung der SOFC-Elemente senkrechter Richtung; Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht einer Konstruktion der Vorrichtung, gesehen in zur Längsrichtung der SOFC-Elemente paralleler Richtung; und Fig. 8 ist eine teilweise im vergrößerten Maßstab dargestellte Ansicht der in Fig. 6 gezeigten Konstruktion.
• Mehrere zylindrische, mit Boden versehene SOFC-Elemente 28 sind in Serie und parallel geschaltet, um eine Sammelzelle zu bilden. In Fig. 6 sind vier Elemente 28 in vertikaler Richtung in Serie geschaltet, und drei Reihen der Elemente 28 sind in horizontaler Richtung parallel geschaltet. Man beachte, daß die Anzahl der Zellen und Reihen geändert werden kann.
• Wie aus Fig. 8 deutlich zu erkennen, umfaßt jedes SOFC-Element 28 ein poröses Keramikrohr 36; und auf dem äußeren Umfang des Rohrs 36 sind nacheinander eine Luftelektrode 37, ein Festelektrolyt 38 und eine Brennstoffelektrode 39 angeordnet. Außerdem sind der Festelektrolyt 38 und die Brennstoffelektrode 39 nicht um die gesamte Außenfläche der Luftelektrode 37 herum ausgebildet; in einem Spalt des Festelektrolyts 38 und der Brennstoffelektrode 39 sind ein Zwischenverbinder 29 und ein Verbindungsanschluß 30 von der Innenseite ausgehend in dieser Reihenfolge ausgebildet. Die in vertikaler Richtung in Fig. 8 angrenzend angeordneten SOFC- Elemente 28 sind solcherart in Serie geschaltet, daß die Luftelektroden 37 über den Zwischenverbinder 29, den Verbindungsanschluß 30 und einen Metallfilz 31 mit den Brennstoffelektroden 39 der angrenzenden SOFC-Elemente 28 verbunden sind.
• Es sind beispielsweise vier SOFC-Elemente 28 miteinander in Serie geschaltet, wie aus Fig. 6 ersichtlich. Zwischen den in den Fig. 6 und 8 in horizontaler Richtung angrenzend angeordneten SOFC-Elementen 28 ist ein Brenngaszufuhrrohr 26 angeordnet. In diesem Vergleichsbeispiel sind zwei Brenngaszufuhrrohre 26 jeweils im Raum zwischen den in horizontaler Richtung positionierten SOFC-Elementen angeordnet, und es sind andere Brenngasrohre 26 jeweils an beiden Seiten der Reihen des Elements 28 vorgesehen.
• Die SOFC-Elemente 28 sind in Serie und parallel geschaltet und bilden eine in Fig. 6 gezeigte Sammelzelle. Man beachte jedoch, daß in den Fig. 6 und 7 die Konstruktion jedes SOFC-Elements nicht detailliert dargestellt ist und daß der Zwischenverbinder 29 und der Verbindungsanschluß 30 zwecks besserer Übersichtlichkeit in Form eines einzigen Teils abgebildet sind.
• Die positiven und negativen Elektroden der so konstruierten Sammelzelle sind jeweils über den Metallfilz 31 elektrisch mit Stromsammelplatten 24 verbunden. Das Paar der Stromsammelplatten 24 dient als Stromsammelelement für die Sammelzelle, um den in jedem SOFC-Element 28 erzeugten elektrischen Strom zu sammeln, und ist mit (nicht dargestellten) Anschlußleitungen verbunden. Die Sammelzelle und die Sammelplatten 24 sind in einer Energieerzeugungskammer 25 in Form eines einzigen Körpers enthalten.
• Die Luftelektrode 37 kann aus dotiertem oder nichtdotiertem, leitendem Oxid vom Perowskit-Typ bestehen, wie z.B. LaMnO&sub3;, CaMnO&sub3;, LaNiO:&sub3;, LaCoO&sub3; und LaCrO&sub3;, insbesondere wird jedoch mit Strontium dotiertes LaMnO&sub3; als Matrial für die Luftelektrode 37 bevorzugt. Der Festelektrolyt 38 kann vorzugsweise aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid oder aus teilweise mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid bestehen. Als Material für die Brennstoffelektrode 39 wird Nickel- Zirkonoxid-Cermet oder Kobalt-Zirkonoxid-Cermet bevorzugt. Der Zwischenverbinder 29 kann vorzugsweise aus dotiertem oder nichtdotiertem LaCrO&sub3; oder LaMnO&sub3; vom Perowskit-Typ bestehen.
• Das Brenngaszufuhrrohr 26 besteht aus einem porösen leitenden oder nichtleitenden Material. Als poröses nichtleitendes Material kommt ein nichtleitendes Keramikmaterial wie poröses Zirkonoxid und Aluminiumoxid in Frage; als poröses leitendes Material ist ein poröses Metall vorzuziehen, das durch Sintern eines reduktionsbeständigen Metalls gebildet wird, oder ein poröses Cermet, das durch Sintern eines Gemisches aus dem reduktionsbeständigen Metallpulver und einem Keramikpulver entsteht.
• Als Keramikpulver eignet sich z.B. ein Keramikpulver, das hauptsächlich aus Aluminium- oder Zirkonoxid besteht. Beispiele für ein reduktionsbeständiges Metallpulver sind eine gepulverte Legierung wie Ni-Cr, Ni-Fe-Cr, Ni-Fe-Cr-Al, Co-Ni-Cr, Fe-Cr Lind Fe-Cr-Al oder Ni-, Co- oder Fe-Pulver.
• Es wird bevorzugt, daß die Porosität der Brenngaszufuhrrohrs 26 etwa 10-90% beträgt. Wenn die Porosität 90% übersteigt, würde die Festigkeit des Rohrs 26 abnehmen; wenn die Porosität unter 10% liegt, würde das Brenngas nicht durch das Rohr 26 hindurchtreten können.
• Es ist möglich, in der Porosität des Brenngaszufuhrrohrs 26 einen Gradienten zu erzeugen, um das Brenngas gleichmäßig in der Brenngaskammer 25 zu verteilen.
• Es gibt zwei Möglichkeiten, in der Porosität des Brenngaszufuhrrohrs 26 einen Gradienten zu erzeugen:
• 1) Beim Sintern des aus einem porösen Metall, porösen Cermet oder porösen Keramikmaterial bestehenden Brenngaszufuhrrohrs 26 wird ein Endabschnitt des Grünkörpers des Brenngaszufuhrrohrs gehalten und ein Gewicht am anderen Endabschnitt angebracht, um den Grünkörder aufzuhängen. Durch dieses Aufhängen wird der gehaltene Seitenabschnitt des Grünkörpers einer vergleichsweise großen Last ausgesetzt, sodaß seine Porosität steigt; die mit einem Gewicht versehene Seite des Grünkörpers wird einer kleinen Last ausgesetzt, sodaß seine Porosität vergleichsweise gering wird.
• 2) Es wird ein aus einem porösen Metall, porösen Cermet oder porösen Keramikmaterial bestehender, rohrförmiger Sinterkörper hergestellt; dann wird ein Füllermaterial in den Poren des Sinterkörpers einimprägniert, um die Poren bis zu einem bestimmten Ausmaß mit dem Material zu füllen; anschließend wird der Sinterkörper getrocknet oder erhitzt, sodaß das Füllermaterial in den Poren verbleibt. Durch Variieren der zur Imprägnierung verwendeten Menge au Füllmaterial ist es möglich, einen Gradienten der Porosität des Sinterkörpers zu erzeugen.
• Es folgt eine Beschreibung eines Verfahrens zur Regulierung der Brenngasmenge, die aus der äußeren Umfangsfläche des Rohrs 26 in die Energieerzeugungskammer 25 eingeblasen wird.
• Das Brenngaszufuhrrohr ist nämlich in einer Doppel-Ausführung konstruiert. Konkret wird der rohrförmige Sinterkörper aus porösem Metall hergestellt und dafür gesorgt, daß die Porosität des Sinterkörpers einheitlich ist. Dann werden in einem bestimmten Abstand mehrere Aufschlämmungsbänc"er auf der Außenfläche des Sinterkörpers ausgebildet und der Körper anschließend erneut gesintert. Durch Vergrößern der Breite der Aufschlämmungsbänder oder Verringerung des Abstands zwischen den Bändern ist es möglich, die Durchsatzmenge des Brenngases durch das Rohr 26 hindurch auf geringes Maß zu regeln. Durch Auswahl des Korndurchmessers des in der Aufschlämmung enthaltenen reduktionsbeständigen Metallpulvers oder Keramikpulvers kann die Gasdurchsatzmenge gesteuert werden. In diesem Fall wird vorzugsweise der rohrförmige Sinterkörper als Stützmaterial verwendet, und die Seite, auf der die Aufschlämmung ausgebildet ist, liegt der Energieerzeugungskammer vorzugsweise gegenüber.
• Als Material für das Brenngaszufuhrrohr 26 kann verdichtetes wärmeisolierendes oder verdichtetes reduktionsbeständiges Material verwendet werden. In diesem Fall sollten mehrere Durchgangslöcher in der Wand des Brenngaszufuhrrohrs 26 ausgebildet sein. Der Durchmesser, die Position und die Anzahl der Durchgangslöcher werden so gewählt, daß das Brenngas gleichmäßig über die Oberfläche des SOFC-Elements 28 verteilt wird. Legierungen der Nickelreihe oder Kobaitreihe, wie z.B. Hastelloy und Inconel (Warenzeichen), werden vorzugsweise als verdichtetes Material für das Brenngaszufuhrrohr 26 verwendet.
• Im Vergleichsbeispiel wird jedes SOFC-Element 28 in vertikaler Richtung gehalten, d.h. die Längsrichtung des SOFC-Elements 28 erstreckt sich in vertikaler Richtung. Es ist jedoch auch möglich, daß sich die Längsrichtung des Elements in horizontaler Richtung erstreckt. Im Vergleichsbeispiel werden runde, zylinderförmige SOFC-Elemente mit Boden verwendet, es können jedoch auch zylindrische SOFC-Elemente mit Öffnungen an beiden Enden verwendet werden.
• Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer Energieerzeugungsvorrichtung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 ist eine Teildraufsicht eines Teils der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung. Fig. 4 ist eine Teildraufsicht eines Teils der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung iii vergrößertem Maßstab.
• Zylindrische SOFC-Elemente 76 mit Rundboden sind in Serie und parallel geschaltet und bilden so eine Sammelzelle. In der ersten Ausführungsform sind die SOFC- Elemente 76 in einem 4x4-Muster angeordnet; in Fig. 3 sind die längsseitig angeordneten Elemente miteinander in Serie geschaltet und horizontal angeordnete Elemente parallel geschaltet, diese Anordnung kann aber auch beliebig abgeändert werden.
• Die Konstruktion und die Verbindung aller SOFC-Elemente 76 sind die gleichen wie jene des Vergleichsbeispiels. In der ersten Ausführungsform steht Bezugszeichen 87 für ein poröses Stützrohr, 88 für eine Luftelektrode, 89 für einen Festelektrolyten, 90 für eine Brennstoffelektrode; 86 für ein Zwischenverbinder, 83 für einen Verbindungsanschluß und 79 für einen Metallfilz.
• Die SOFC-Elemente 76 sind in Serie und parallel geschaltet, um eine in Fig. 3 gezeigte Sammelzelle zu bilden, in der SOFC-Elemente in einem 4x4-Muster angeordnet sind.
• Man beachte, daß in den Fig. 2 und 3 nicht jedes SOFC-Element detailliert dargestellt ist und der Zwischenverbinder 86 und der Verbindungsanschluß 83 in Form eines einzigen Körpers abgebildet sind.
• Die positiven und negativen Elektroden der so strukturierten Sammelzelle sind über den Metallfilz 79 elektrisch mit einem Paar Stromsammelplatten 73 verbunden. Das Paar Stromsammeiplatten 75 dient als Stromsammler für die Sammelzelle, wobei die Platten 75 mit (nicht dargestellten) Anschlußleitungen verbunden sind. Die Sammelzelle und die Stromsammelplatten 75 sind in Form eines einzigen Körpers in der Energieerzeugungskammer 82 enthalten.
• Die Energieerzeugungskammer 82 umfaßt eine an der Öffnungsseite des SOFC-Elements 76 angeordnete erste Wand 77; in der ersten Wand sind kreisrunde Durchgangslöcher 77a angeordnet, die den SOFC-Elementen 76 entsprechen. Die SOFC-Elemente 76 sind in die Durchgangslöcher 77a eingesetzt und werden von diesen gehalten. Im Innenraum jedes SOFC-Elements ist ein Zufuhrror 80 für oxidierendes Gas eingesetzt. Das oxidierende Gas wird in Fig. 2 in Aufwärtsrichtung eingeleitet und zur Gasaustoßkammer 78 hin abgeleitet. Der Gasstrom ist in Fig. 2 durch Pfeile D&sub4; dargestellt.
• Die Energieerzeugungskammer 82 umfaßt weiters eine zweite Wand, die an der Bodenseite der SOFC-Elemente 76 und senkrecht zur Längsrichtung des SOFC-Elements angeordnet ist. Auf der zweiten Wand sind die Böden der SOFC-Elemente 76 gehalten. Die Energieerzeugungskammer 82 umfaßt weiters ein Paar Seitenwände 74, die parallel zueinander und parallel zur Längsrichtung des SOFC-Elements 76 angeordnet sind. Die Seitenwände 74 sind in einem bestimmten Abstand von den Stromsammelplatten 75 angeordnet. Ein dosenartiger Körper 71 aus wärmeisolierendem Material ist um die Energieerzeugungskammer 82 herum ausgebildet.
• Zwischen dem dosenartigen Körper 71 und der zweiten Wand 73 sowie den Seitenwänden 74 liegt die Brenngaskammer 72; die Querschnittsansicht der Brenngaskammer 72 ist - wie aus Fig. 2 ersichtlich - U-förmig; das obere Ende der Brenngaskammer 72 ist durch die obere Wand des dosenartigen Körpers 71 von der Abgaskammer 78 beabstandet. Man beachte, daß sich im Boden des dosenartigen Körpers 71 ein Brenngaszufuhrloch 71a befindet.
• In der zweiten Wand 73 der Energieerzeugungskammer 82 sind in regelmäßigen Abständen mehrere Durchgangslöcher für den Durchtritt des Breringases angeordnet. In den jeweiligen Seitenwänden 74 sind mehrere Durchgangslöcher 74a in Form einer Matrix vorgesehen. In den jeweiligen Stromsammelplatten 75 befinden sich weiters mehrere Durchgangslöcher 75 in Form einer Matrix, sodaß die Durchmesser und Positionen der Löcher 74a in den Seitenwänden 74 mit jenen der Löcher 75a in den Stromsammelplatten 75 übereinstimmen.
• Bei Betrieb der Energieerzeugungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform wird das Brenngas durch das Loch 71a in die Brenngaskammer 72 geleitet (siehe Pfeil A&sub4;). Dann erhöht sich der Druck in der Kammer 72, und das Brenngas wird durch die in der zweiten Wand 73 befindlichen Durchgangslöcher 73a in die Energieerzeugungskammer 82 eingeleitet (siehe Pfeile B&sub4;); außerdem wird das Brenngas auch über die Durchgangslöcher 74a in den Seitenwänden 74 und Durchgangslöcher 75b in den Stromsammelplatten 75 in die Energieerzeugungskammer 82 eingeleitet (siehe Pfeile C&sub4;). Das solcherart zugeführte Brenngas wird vor allem in horizontaler Richtung in die Kammer 82 geführt, was durch Pfeile G&sub4; in Fig. 3 ersichtlich gemacht ist. Nachdem in der Kammer 82 elektrischer Strom erzeugt wurde, wird das verbrauchte Brenngas schließlich durch den Raum zwischen den SOFC-Elementen 76 und der ersten Wand 77 hindurch in die Abgaskammer 78 abgegeben; dann wird das verbrauchte Brenngas mit dem darin befindlichen verbrauchten oxidierenden Gas vermischt.
• Die bevorzugten Materialien für die Luftelektroden 88, die Festelektrolyten 89, die Brennstoffelektroden 90 und den Zwischenverbinder 86 sind die gleichen wie im Vergleichsbeispiel.
• Die Seitenwände 74 bestehen aus wärmeisolierendem Metall oder Keramikmaterial, das gegenüber dem Brenngas beständig und bei der Betriebstemperatur der SOFC-Elemente stabil ist. Legierungen wie Ni-Cr, Ni-Fe-Cr, Ni-Fe-Cr-Al, Co-Ni-Cr, Fe-Cr und Fe-Cr-Al sind Beispiele für derartige wärmeisolierende Metalle.
• Da gemäß der ersten Ausführungstbrm die Vorrichtung so angeordnet ist, daß das Brenngas nicht nur von der zweiten Wand der Kammer 82, sondern auch von den Seitenwänden der sogenannten Zelleinheit her zugeführt wird (siehe Fig. 3), kann frisches Brenngas allen Oberflächen des SOFC-Elements kontinuierlich zugeführt werden. Daher wird der Gradient der Brennstoftkonzentration in der Kammer 82 gering und im wesentlichen ausgeglichen, sodaß der Temperaturgradient in Längsrichtung des SOFC-Elements 76 ebenfalls schwächer wird. Selbst wenn die Vorrichtung über einen langen Zeitraum betrieben wird, kommt es somit im SOFC-Element 76 kaum zu Fehlern wie Rissen. Da die Uneinheitlichkeit der elektrochemischen Reaktion eingeschränkt wird, ist es möglich, dei Wirkungsgrad der Energieerzeugung der SOFC-Elemente 76 zu verbessern.
• In der in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Vorrichtung ist die Brenngaskammer nur unterhalb der zweiten Wand angeordnet, weshalb die Seitenwände der Energieerzeugungskammer z.B. von Luft umgeben sind. Da die Lufttemperatur niedrig ist, ist es notwendig, die Seitenwand 74 mit einer Wärmeisolierung zu versehen. Anders ausgedrückt sollten die Seitenwände als wärmeisolierende Wände ausgebildet sein. Aus diesem Grund ist eine große Dicke der Seitenwände, wie z.B. mehrere Dutzend Millimeter, erforderlich.
• In der ersten Ausführungsform der Erfindung ist hingegen die die Energieerzeugungskammer 82 umgebende Brenngaskammer 72 mit Brenngas hoher Temperatur gefüllt. Selbst bei geringer Dicke der Seitenwände 74 ist es demnach möglich, die Temperatur in der Energieerzeugungskammer 82 bei der Betriebstemperatur des SOFC-Elements 76 zu halten. Daher kann die Vorrichtung von kompakter Größe sein.
• In der ersten Ausführungsform ist die Richtung des aus der Seitenwand 74 ausströmenden Gasstroms wichtig. In Fig. 3 sind in Auf- und Abwärtsrichtung, d.h. in Richtung der in Serie geschalteten SOFC-Elemente 76, bandförmige Zwischenverbinder über die Länge der Elemente 76 angeordnet; dementsprechend sind Metallfilze 79 zwischen den SOFC-Elementen angeordnet, um den Raum auszufüllen. Daher kann das Brenngas nicht leicht durch den Abschnitt strömen. Die Metallfilze 84, anhand derer die SOFC-Elemente 76 parallel geschaltet sind, weisen hingegen nicht notwendigerweise eine bandartige Form auf, sondern die Metallfilze 84 können so augeordnet sein, daß sie die Elemente nur in einem oder zwei Abschnitten zwischen den SOFC-Elementen verbinden. Dadurch karin das Brennstoffgas in Fig. 3 leicht in Auf- und Abwärtsrichtung strömen, sodaß beim Einleiten des Brennstoffgases in die Kammer 82 in den durch die Pfeile C&sub4; in Fig. 3 gezeigten Richtungen das Gas leicht in der gesamten Energieerzeugungskammer 82 verteilt werden kann.
• Um in der in Fig. 2 gezeigten ersten Ausführungsform für eine gleichmäßigere Brenngaskonzentration in Längsrichtung des SOFC-Elements zu sorgen, sollten die Durchmesser und die Anzahl der in den Seitenwänden 74 und Stromsammelplatten 75 ausgebildeten Durchgangslöcher 74a und 75a geeignet gewählt werden.
• Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht der Konstruktion gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• In der zweiten Ausführungsform bestehen sowohl die zweite Wand 93 als auch ein Paar Seitenwände 94 aus einem porösen Material. Daher wird das Brenngas in der Brenngaskammer 72 durch die erste Wand 93 (Pfeile B&sub5;) und die Seitenwände 94 (Pfeile C&sub5;) hindurch geleitet, um durch eine Druckdifferenz zwischen der Abgaskammer 78 und der Brenngaskammer 72 in die Energieerzeugungskammer 82 geleitet zu werden. Das durch die Seitenwände 75 hindurch geleitete Brenngas tritt weiters durch die Durchgangslöcher 75a hindurch und strömt dann entlang der Oberfläche der Brennstoffelektroden der SOFC-Elemente 76. Daher ist es in der zweiten Ausführungsform möglich, die gleiche Wirkung zu erzielen wie in der ersten Ausführungsform Da in der zweiten Ausführungsform die gesamten Seitenwände aus dem porösen Material bestehen, wäre es möglich, das Brenngas in der Kammer 82 noch gleichmäßiger zu verteilen.
• Wenn allerdings die Porosität der Seitenwände einheitlich ist, würde die Gaskonzentration in der Nähe der Bodenseite des Elements 76 größer werden als jene in der Nähe der Öffnungsseite des Elements 76. Daher ist es wünschenswert, daß die Porosität der Seitenwände einen Gradienten bildet, damit die durchtretende Gasmenge an der oberen Seite größer als jene an der Bodenseite ist.
• Die erste Wand 93 und die Seitenwände 94 sollten weiters gegen das Brennstoffgas hoher Temperatur stabilisiert sein. Daher wird als Material dafür das poröse Metall, das durch Sintern des reduktionsbeständigen Metallpulvers oder des porösen Cermets gebildet wird, das durch Sintern des reduktionsbeständigen Metallpulvers und Keramikpulvers entsteht, bevorzugt. Das hauptsächlich aus Aluminium- oder Zirkonoxid bestehende Keramikpulver sind Beispiele für das Keramikpulver; ein Legierungspulver, wie z.B. Ni-Cr, Ni-Fe-Cr, Ni-Fe-Cr-Al, Co-Ni-Cr, Fe-Cr und Fe-Cr-Al, oder ein Metallpulver, wie z.B. Ni, Co und Fe, sind Beispiele für das reduktionsbeständige Metallpulver.
• Vorzugsweise weist die Seitenwand 94 wie im Vergleichsbeispiel eine Porosität von etwa 10-90% auf. Weiters wird bevorzugt, in der Porosität der Seitenwand 94 einen Gradienten zu erzeugen, der in gleicher Weise wie im Vergleichsbeispiel beschrieben erzeugt werden kann. Außerdem kann die durchtretende Menge an Brenngas mit Hilfe einer Aufschlämmung in gleicher Weise wie im Brenngaszufuhrrohr im Vergleichsbeispiel gesteuert werden.
• Jedes SOFC-Element wird in vertikaler Richtung gehalten. Es ist jedoch auch möglich, das SOFC-Element in horizontaler Richtung zu halten.
• Da in der ersten und zweiten Ausführungsform das Brenngas mit hoher Temperatur von außerhalb der Seitenwände in die Energieerzeugungskammer zugeführt wird, ist es nicht erforderlich, den Seitenwänden eine wärmeisolierende Funktion zu verleihen. Selbst wenn daher die Dicke der Seitenwand gering ist, kann die Temperatur in der Energieerzeugungskammer bei der Betriebstemperatur der SOFC-Elemente gehalten werden; somit kann die Energieerzeugungsvorrichtung eine kompakte Größe aufweisen.
• Die Erfinder führten einen Versuch durch, um die Temperaturgradienten in den Energieerzeugungskammern der in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Vorrichtung und der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung in Längsrichtung der darin vorhandenen SOFC-Elemente zu messen. Es wurden die in Fig. 2 gezeigten Meßpunkte a, b, c, d und e ausgewählt; der Abstand zwischen den Meßpunkten beträgt jeweils 100 mm. Ein Gas aus 96% Wasserstoff und 4% Dampf wird als Brenngas und Luft als oxidierendes Gas eingesetzt. Die Temperatur des SOFC-Elements wird mit Hilfe von Thermoelementen gemessen. Außerdem wird die Leistung pro SOFC-Element jeder Vorrichtung gemessen. Die Meßergebnise sind in nachstehender Tabelle 1 angeführt. Tabelle 1
• Da - wie aus Tabelle 1 ersichtlich - die erfindungsgemäße Energieerzeugungsvorrichtung so konstruiert ist, daß das Brenngas in Längsrichtung der in der Kammer vorhandenen SOFC-Elemente gleichmäßig in die Energieerzeugungskammer eingeleitet wird, kann frisches Brenngas kontinuierlich nicht nur zur Bodenseite des SOFC-Elements, sondern auch zu seiner oberen Öffnungsseite hin geführt werden. Dies sorgt für eine Senkung des Brenngaskonzentrationsgradienten in der Energieerzeugungskammer und eine gleichmäßige Konzentration darin; außerdem sinkt der Temperaturgradient in Längsrichtung des SOFC-Elements in der Kammer. Selbst wenn die Energieerzeugungsvorrichtung über einen langen Zeitraum betrieben wird, bilden sich kaum Risse in den SOFC-Elementen. Außerdem wird die elektrochemische Reaktion einheitlicher, sodaß sich der Wirkungsgrad der Energieerzeugung jedes SOFC-Elements verbessert.

Claims (19)

1. Energierzeugungsvorrichtung bzw. -apparat bzw. -gerät, umfassend:

eine Vielzahl zylindrischer Festoxidbrennstoffzellenelemente (76), die elektrisch miteinander verbunden sind, um eine Sammel- bzw. Mehrfachzelle zu bilden, wobei sich die Brennstoffzellenelemente (76) in einer Längsrichtung der Zelle erstrecken;

Stromsammelmittel (75), die mit positiven und negativen Elektroden der Sammelzelle verbunden sind;

eine Energieerzeugungskammer (82), welche die Sammelzelle und die Stromsammelmittel enthält;

eine Brenngaskammer (72), die mittels einer Trennwand (74, 76; 93, 94) von der Energieerzeugungskammer getrennt ist;

ein Zufuhrmittel (80) für oxidierendes Gas zum Zuführen eines oxidierenden Gases in einen Innenraum jedes der Festoxidbrennstoffzellenelemente (76) und ein Brenngaszufuhrmittel (74, 74a; 94) zum Zuführen eines Brenngases von der Brenngaskammer (72) in die Energieerzeugungskammer durch die Trennwand (74, 76; 93, 94) hindurch, wodurch das oxidierende Gas elektrochemisch mit dem Brenngas umgesetzt bzw. reagieren gelassen wird, um elektrische Energie zu erzeugen, wobei das Brenngaszufuhrmittel (74, 74a; 94) das Brenngas solcherart in die Energieerzeugungskammer (82) leitet, daß die Brenngaskonzentration in der Energieerzeugungskammer in Längsrichtung der Festoxidbrennstoffzellenelemente (76) im wesentlichen einheitlich ist;

dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngaszufuhrmittel als zumindest ein Teil der Trennwand zumindest eine poröse oder mit Öffnungen versehene erste Seitenwand (74; 94) umfaßt bzw. aufweist, welche die Energieerzeugungskammer (82) am Außenumfang der Energieerzeugungskammer begrenzt und sich in Längsrichtung erstreckt, wobei das Brenngas durch die Poren oder Öffnungen (74a) der ersten Seitenwand oder Seitenwände (74; 94) hindurch von der Brenngaskammer (72) nach innen zur Energieerzeugungskammer hin strömt.

2. Energieerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin jedes Festoxidbrennstoffzellenelement (76) ein poröses Stützrohr (87) und eine Luftelektrode (88), einen Festelektrolyt (89) und eine Brennstoffelektrode (90) in dieser Reihenfolge um eine Außenfläche des porösen Stützrohrs (87) herum angeordnet umfaßt.

3. Energieerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 2, worin die Luftelektrode (88) jedes Festoxidbrennstoffzellenelements mit einer Brennstoffelektrode (90) eines anderen Festoxidbrennstoffzellenelements, das in einer ersten Richtung daran angrenzend angeordnet ist, elektrisch in Serie verbunden ist.

4. Energieerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, worin die Luftelektrode (88) jedes Festoxidbrennstoffzellenelements mit der Brennstoffelektrode (90) einer daran angrenzend angeordneten Festoxidbrennstoffzelle über einen Zwischenverbinder (86), einen Verbindungsanschluß (83) und einen Metallfilz (79) verbunden ist.

5. Energieerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 4, worin jeder Zwischenverbinder (86) aus dem dotierten oder nichtdotierten, leitenden, perowskitartigen Oxid LaCrO&sub3; besteht.

6. Energieerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 3, worin ein Metallfilz (84) zwischen jedem Festoxidbrennstoffzellenelement (76) in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung angeordnet ist und die in der zweiten Richtung aneinander angrenzend angeordneten Festoxidbrennstoffzellenelemente (76) durch die Metallfilze (84) parallel miteinander elektrisch verbunden sind.

7. Energieerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, worin die Luftelektrode aus dotiertem oder nichtdotiertem, leitendem, perowskitartigem Oxid, wie z.B. LaMnO&sub3;, CaMnO&sub3;, LaNiO&sub3;, LaCoO&sub3; oder LaCrO&sub3;, besteht.

8. Energieerzeugungsvorrichtupg nach einem der Ansprüche 2 bis 7, worin der Festelektrolyt (89) aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid oder aus teilweise mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid besteht.

9. Energieerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, worin die Brennstoffelektrode (90) aus Nickel-Zirkonoxid-Cermet oder Kobalt-Zirkonoxid-Cermet besteht.

10. Energieerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin das Brenngaszufuhrmittel weiters als Teil der Trennwand eine zweite Wand (73; 93) umfaßt, durch welche die Energieerzeugungskammer (82) von der Brenngaskammer (72) getrennt ist, die in einer zur Längsrichtung senkrechten Richtung angeordnet ist.

11. Energieerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin das Stromsammelmittel (75) ein Paar Stromsammelplatten umfaßt und die Platten zwischen der Sammelzelle und den ersten Seitenwänden (74; 94) der Energieerzeugungskammer parallel zur Längsrichtung angeordnet sind.

12. Energieerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 11, worin eine Vielzahl an Durchgangslöchern (75a) in den Stromsammelplatten (75) ausgebildet ist.

13. Energieerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin eine Vielzahl an Durchgangslöchern (73a, 74a), durch die das Brenngas in die Energieerzeugungskammer gelangt, in zumindest den ersten Wänden (74) ausgebildet ist.

14. Energieerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin zumindest die ersten Wände (93, 94) aus porösem Material bestehen.

15. Energieerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 14, worin zumindest die ersten Wände (74) aus porösem Metall, das durch Sintern eines reduktionsbeständigen Metallpulvers gebildet ist, oder aus einem porösen Cermet bestehen, das durch Sintern eines Gemischs aus einem reduktionsbeständigen Metallpulver und einem Keramikpulver gebildet ist.

16. Energieerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 15, worin zumindest die ersten Wände (74) aus Nickel-Zirkonoxid-Cermet oder Kobalt-Zirkonoxid-Cermet bestehen.

17. Energieerzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, worin zumindest die ersten Wände (74) eine Porosität im Bereich von 10-90% aufweisen.

18. Energieerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 17, worin zumindest die ersten Wände (74) jeweils einen Sinterkörper aus porösem Metall mit einer bestimmten Porosität und einer Vielzahl bandförmiger Bereiche umfassen, die aus Aufschlämmungen gebildet sind, die in vorbestimmten Abständen auf der Oberfläche des Sinterkörpers ausgebildet sind.

19. Energieerzeugungsvorrichtung nach Anspruch 18, worin die Menge des durch die ersten Wände (74) strömenden Brenngases durch Variieren der Abstände zwischen den Aufschlämmungen gesteuert wird.