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    Eine Festoxid-Brennstoffzelle verwendet eine Anordnung von rohrförmigen flachen Platten, welche nur an ihren Enden mittels nachgiebiger Dichtungen abgedichtet sind. Die Dichtungen können aus Talkum ausgebildet sein und umgeben Gaseinlass- und Auslass-Öffnungen an den Röhrenenden. Anordnung der Dichtung, entfernt von den Hochtemperatur-Zentralbereichen der Röhren, erhöht die Wartungs-Lebensdauer der Dichtung und deren Verträglichkeit gegenüber Temperatur-Zyklus-Betrieb. Die Dichtungen können einen ringförmigen Leiter beinhalten, um aneinander angrenzende Röhren zu einem gemeinsamen Schaltkreis zu verbinden.A solid oxide fuel cell uses an array of tubular flat plates that are sealed only at their ends by resilient seals. The seals can be formed from talc and surround gas inlet and outlet openings at the tube ends. Positioning the seal away from the high temperature central areas of the tubes increases the service life of the seal and its compatibility with temperature-cycle operation. The seals may include an annular conductor to connect adjacent tubes into a common circuit.
    公开号:DE102004008231A1
    申请号:DE102004008231
    申请日:2004-02-19
    公开日:2004-10-07
    发明作者:Robert F. Farmington Hills Novak
    申请人:Ford Motor Co；
    IPC主号:H01M2-08
    专利说明:
    [0001] Die Erfindung betrifft allgemeinelektrochemische Vorrichtungen wie Brennstoffzellen, und betrifftinsbesondere Verbesserungen von Festoxid-Brennstoffzellen ("solid oxide fuelcells", SOFC) desFlachplatte-Aufbaus, sowie Verfahren zum Herstellen der Zellen.The invention relates generallyelectrochemical devices such as fuel cells, and concernsin particular improvements of solid oxide fuel cells ("solid oxide fuelcells ", SOFC) desFlat plate construction, and method for manufacturing the cells.
    [0002] Brennstoffzellen sind elektrochemischeEnergieumwandlungs-Vorrichtungen,welche durch Umwandeln der chemischen Energie von Brennstoffen Elektrizität und Wärme erzeugen.Festoxid-Brennstoffzellen(SOFCs) sind aus Festkörpermaterialienwie etwa keramischen Oxiden hergestellt. SOFCs weisen drei Komponentenauf: eine Kathode, Anode und einen zwischen Kathode und Anode angeordnetenElektrolyt. Sauerstoff aus der Luft wird an der Kathode reduziertund in negativ geladene Sauerstoff-Ionen umgewandelt. Diese Ionenwandern durch den Elektrolyt zur Anode, wo sie mit Brennstoff, wieetwa Wasserstoff reagieren. Der Brennstoff wird von den Sauerstoff-Ionen oxidiert und gibtElektronen an eine externe Schaltung ab, wodurch Elektrizität erzeugtwird. Die Elektronen wandern anschließend zur Kathode, wo sie Sauerstoff ausder Luft entbinden, wodurch der elektrizitätserzeugende Zyklus geschlossenwird. Einzel-Zellen könnenin Serie zusammengestapelt werden, um größere Elektrizitätsmengenzu erzeugen.Fuel cells are electrochemicalEnergy conversion deviceswhich generate electricity and heat by converting the chemical energy of fuels.Solid oxide fuel cells(SOFCs) are made of solid materialssuch as ceramic oxides. SOFCs have three componentson: a cathode, anode and one arranged between cathode and anodeElectrolyte. Oxygen from the air is reduced at the cathodeand converted into negatively charged oxygen ions. These ionsmigrate through the electrolyte to the anode, where they use fuel likereact around hydrogen. The fuel is oxidized by the oxygen ions and givesElectrons to an external circuit, which creates electricitybecomes. The electrons then migrate to the cathode, where they emit oxygenrelease from the air, closing the electricity generating cyclebecomes. Single cells canbe stacked together in series to make larger amounts of electricityto create.
    [0003] SOFCs welche flache Zelleinheitenverwenden, stellen Herausforderungen an den Entwurf dar, aufgrundder Notwendigkeit, die Luft von dem Brennstoff durch eine im Wesentlichenrings des gesamten Randes der keramischen Brennstoffzellenplatteangeordnete Dichtung zu trennen. Das Verbinden von Zellen in einerBrennstoffzellenanordnung mit keramischen statt metallischen Verbindungenist ferner durch die verhältnismäßig hoheBetriebstemperatur von SOFCs erschwert. Metallische Verbindungenunterliegen Oxidation, was zu einem Verlust an Leitfähigkeitführt.Schließlichstellt die hohe Betriebstemperatur von SOFCs, vom Standpunkt dermechanischen Integritätdes Brennstoffzellen-Stapels aus gesehen, eine weitere Herausforderungan den Entwurf dar. Wenn der Brennstoffzellen-Stapel auf Betriebstemperaturund dann wieder zurückauf Raumtemperatur gebracht wird, erfährt der Brennstoffzellen-Stapeldramatische thermische und mechanische Belastungen, welche zu mechanischerErmüdungund Ausfall führenkönnen,insbesondere, wenn die Brennstoffzellen viele thermische Zyklendurchlaufen müssen.Die oben genannten Auslegungsprobleme werden erschwert, wenn SOFCsin Automobilanwendungen, wie etwa als Hilfsstromeinheiten ("auxiliary power units", APU) für Fahrzeugeeingesetzt werden. Die Automobilumgebung ist im Vergleich zum Einsatzvon SOFCs in stationärerAnwendung besonders herausfordernd und anspruchsvoll aufgrund des Bedarfsan durch höhereLeistungsdichten vorgeschriebenen Größen-Einschränkungen, Einfluss auf ökonomischeBrennstoffverwendung und Emissionen, Crash-Tauglichkeit ("crash worthiness") und Betrieb über große Temperaturbereiche über vieleBetriebszyklen.SOFCs which flat cell unitsuse pose design challenges because ofthe need to remove the air from the fuel by essentially onearound the entire edge of the ceramic fuel cell plateto separate arranged seal. Merging cells into oneFuel cell arrangement with ceramic instead of metallic connectionsis also due to the relatively highOperating temperature of SOFCs difficult. Metallic connectionsare subject to oxidation, resulting in loss of conductivityleads.Finallyrepresents the high operating temperature of SOFCs, from the standpoint ofmechanical integrityseen from the fuel cell stack, another challengeto the design. When the fuel cell stack is at operating temperatureand then back againthe fuel cell stack is brought to room temperaturedramatic thermal and mechanical loads that lead to mechanicalfatigueand cause failurecan,especially when the fuel cells have many thermal cycleshave to go through.The above design problems are exacerbated when SOFCsin automotive applications such as auxiliary power units (APU) for vehiclesbe used. The automotive environment is compared to the useof SOFCs in stationaryApplication particularly challenging and demanding due to the needon by higherPower densities stipulated size restrictions, impact on economicFuel use and emissions, crash worthiness and operation over large temperature ranges over manyOperating cycles.
    [0004] Es wurden eine Reihe von Anordnungenfür SOFCsentwickelt, inklusive monolithischen, ebenen und rohrförmigen.Der monolithische SOFCs-. Aufbau ist von einer Honigwaben-Konstruktion gekennzeichnet,welche zu einer kontinuierlichen Struktur zusammengeschweißt ist.Ebene Stapel, welche gute Energiedichten aufweisen, leiden unterder Tatsache, dass sie rings der gesamten Ränder der keramischen BrennstoffzellenplattengroßeUmfangsdichtungen benötigen.Keine dieser Design-Elemente bietet sich für schnelle oder unregelmäßigen thermischenZyklus-Betrieb an. Ebene Stapel benötigen lange, langsame Aufwärmzyklen,was mit Automobilanwendungen nicht vereinbar ist, in denen SOFCs abverlangtwird, "bei Bedarf" zu arbeiten. Rohrförmige SOFCsbenötigenein Abdichten nur an den Enden der Rohre über eine verhältnismäßig kleineFläche.Die rohrförmigenDichtungen sind daher von dem heißesten Bereich des Brennstoffzellenstapels entferntangeordnet, und daher könnenrohrförmige SOFCsschnellere thermische Zyklen durchlaufen und können mehr Zyklen durchlaufen.Leider weisen rohrförmigeSOFCs im Vergleich zu Flachplatte-SOFCs wesentlich geringere Leistungenpro Volumeneinheit auf, da ihre physikalischen Geometrien keinehohe Dichte durch enges Stapeln der einzelnen Rohreinheiten erlauben.There have been a number of ordersfor SOFCsdeveloped, including monolithic, flat and tubular.The monolithic SOFCs-. Structure is characterized by a honeycomb construction,which is welded together into a continuous structure.Flat stacks that have good energy densities sufferthe fact that they ring around the entire edges of the ceramic fuel cell panelssizeNeed circumferential seals.Neither of these design elements lends itself to fast or irregular thermalCycle operation. Flat stacks require long, slow warm-up cycles,which is incompatible with automotive applications that require SOFCswill work "on demand". Tubular SOFCsneedsealing only at the ends of the pipes over a relatively small oneArea.The tubularSeals are therefore removed from the hottest area of the fuel cell stackarranged, and therefore cantubular SOFCsgo through faster thermal cycles and can go through more cycles.Unfortunately, tubularSOFCs compared to flat plate SOFCs significantly lower performanceper unit volume because their physical geometries are noneAllow high density by tightly stacking the individual pipe units.
    [0005] Dementsprechend besteht in der Technikein klarer Bedarf fürverbesserte SOFCs, welche besonders hohe Leistungen pro Volumeneinheitaufweisen und nicht nur Betrieb mit großem Temperaturzyklus über vieleBetriebszyklen widerstehen.Accordingly, there is technologya clear need forimproved SOFCs, which have particularly high performances per unit volumeand not just operation with a large temperature cycle over manyResist operating cycles.
    [0006] Ein primäres Ziel der Erfindung istdas Bereitstellen eines SOFC, welches hohe Leistungsdichte aufweist,aber keiner Minderung ihres Betriebsverhaltens durch Betrieb mitgroßemTemperaturzyklus überviele Betriebszyklen unterliegt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsformder Erfindung weist eine Brennstoffzellenanordnung eine Mehrzahlvon flachen, parallel mit Abstand versehen angeordneten Rohren auf,von denen jede eine erste und zweite Anode-Elektrolyt-Kathode-Fläche aufweist.Die Rohre sind nur an ihren äußeren Endenabgedichtet, wodurch sich die Gesamtdichtfläche verringert und wodurchdie Dichtung mit Abstand zu den zentralen Bereichen mit hoher Temperaturder Rohre angeordnet ist. Die Dichtungen, welche die Brennstoffzellenvon der Luft isolieren, haben bevorzugter Weise die Form von ringförmigen,nachgiebigen Elementen aus Talkum, welche Durchgangslöcher anden Enden der Rohre umgeben, welche es Brennstoffgas erlauben, indie Zellen einzutreten und diese zu verlassen. Ein ringförmiger,nachgiebiger Leiter kann in das Talkum-Dichtelement eingearbeitetsein, um benachbarte Zellen elektrisch zu verbinden.A primary object of the invention is to provide an SOFC which has a high power density but is not subject to a degradation in its performance by operation with a large temperature cycle over many operating cycles. According to a preferred embodiment of the invention, a fuel cell arrangement has a plurality of flat tubes arranged in parallel and spaced apart, each of which has a first and second anode-electrolyte-cathode surface. The pipes are sealed only at their outer ends, which reduces the overall sealing area and which places the seal at a distance from the central areas of the pipes at high temperatures. The seals that isolate the fuel cells from the air are preferably in the form of annular, resilient elements made of talc, which have through holes at the ends of the Surround pipes that allow fuel gas to enter and exit the cells. An annular, resilient conductor can be incorporated into the talc sealing element to electrically connect adjacent cells.
    [0007] Die Verträglichkeit gegenüber Betriebmit großenTemperaturzyklen kann dadurch verbessert werden, dass die nachgiebigenDichtelemente nur an den Gasauslassenden der Rohre eingesetzt werden, unddass am Einlass der Rohre nicht- nachgiebige Dichtungenverwendet werden, wobei lange flache Rohre mit Dichtungen außerhalbder heißenZonen verwendet werden.Compatibility with operationswith bigTemperature cycles can be improved by making the compliantSealing elements are only used at the gas outlet ends of the pipes, andthat non-compliant seals at the inlet of the pipesbe used, long flat tubes with seals outsidethe hotZones are used.
    [0008] Gemäß einem weiteren wichtigenZiel der Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform einVerfahren zum Herstellen einer Flachbrennstoffzellenröhren-Anordnungbereitgestellt, welches die folgenden Schritte aufweist: Ausbildeneines Rohres mit offenen Enden mittels Sintern zweier Streifen von nicht-ausgehärteter Keramik,welche die Seiten des Rohres bilden, und Abdichten des Rohres nurder Enden mittels nachgiebiger Dichtungen. Durch Verwenden einesflüchtigenMaterials als Füllmaterial,welches währenddes Sinterprozesses ausgebrannt wird, oder durch Laminieren derKeramikstreifen in eine flache Hohlraumschale können ein oder mehrere Gasdurchgänge in denRohren ausgebildet werden.According to another important oneThe aim of the invention is in a preferred embodimentMethod of making a flat fuel cell tube assemblyprovided which comprises the following steps: traininga pipe with open ends by sintering two strips of uncured ceramic,which form the sides of the tube and only seal the tubethe ends by means of flexible seals. By using avolatileMaterial as filling material,which duringthe sintering process is burned out, or by laminating theCeramic strips in a flat cavity shell can have one or more gas passages in thePipes are formed.
    [0009] Ein Vorteil dieser rohrförmigen Flachplatte-Brennstoffzelleist, dass die ein Abdichten benötigendeFlächedes Rohres wesentlich verringert ist, was die Brennstoffzelle zumEinsatz in Anwendungen geeignet werden lässt, welche höhere Betriebstemperaturenerfordern. Ein ähnlicherVorteil ist, dass die Dichtungen von Zentralabschnitten des Rohres entferntangeordnet sind, welche höhereBetriebstemperaturen ausgesetzt sind, welche ansonsten schädlich für die Dichtungenwären.An advantage of this tubular flat plate fuel cellis that the one that needs sealingareaof the tube is significantly reduced, which is what the fuel cellCan be used in applications that have higher operating temperaturesrequire. A similar oneThe advantage is that the seals are removed from central sections of the pipeare arranged, which higherAre exposed to operating temperatures, which are otherwise harmful to the sealswould.
    [0010] Ein weiterer Vorteil der Erfindungist, dass die Dichtungen bevorzugt aus nachgiebigen Material hergestelltsind, welches thermische und mechanische Ausdehnungen der Brennstoffzellenkomponentenwährendthermischem Zyklus-Betrieb zulässt. Nochein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Rohre unter Verwendungvon herkömmlichenverfügbarenMaterialien und gut bewährtenProduktionstechniken hergestellt werden können.Another advantage of the inventionis that the seals are preferably made from resilient materialwhich are thermal and mechanical expansions of the fuel cell componentswhileallows thermal cycle operation. YetAnother advantage of the invention is that the tubes are usedfrom conventionalavailableMaterials and well provenProduction techniques can be made.
    [0011] Diese und andere Merkmale und Vorteileder vorliegenden Erfindung könnendurch Berücksichtigender folgenden Details der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsformder Erfindung besser verstanden werden. Im Verlauf dieser Beschreibung wirdwiederholt Bezug genommen auf die beiliegenden Zeichnungen.These and other features and benefitsof the present inventionby consideringthe following details of the description of a preferred embodimentthe invention can be better understood. In the course of this descriptionrepeatedly referred to the accompanying drawings.
    [0012] 1 isteine kombinierte schematische und Diagramm-Ansicht, welche die grundlegende Betriebsweiseeiner Festoxydbrennstoffzelle zeigt; 1 Fig. 12 is a combined schematic and diagram view showing the basic operation of a solid oxide fuel cell;
    [0013] 2 isteine Diagramm-Seitenansicht eines Brennstoffzellenstapels, welcherdie bevorzugte Ausführungsformder vorliegenden Erfindung darstellt, und stellt individuelle Schichtenjeder Flachröhreund Gasdurchgängezum Tragen von Brennstoffgas zwischen den Röhren dar; 2 Fig. 3 is a diagrammatic side view of a fuel cell stack which is the preferred embodiment of the present invention and illustrates individual layers of each flat tube and gas passages for carrying fuel gas between the tubes;
    [0014] 3 isteine Seitenansicht des in 2 dargestelltenBrennstoffzellenstapels; 3 is a side view of the in 2 illustrated fuel cell stack;
    [0015] 4 isteine Draufsicht von einer der Röhren,welche ein Teil des Brennstoffzellenstapels von 2 und 3 bildet; 4 FIG. 4 is a top view of one of the tubes that is part of the fuel cell stack of FIG 2 and 3 forms;
    [0016] 5 isteine Seitenansicht der in 4 gezeigtenRöhren; 5 is a side view of the in 4 tubes shown;
    [0017] 6 isteine vergrößerte Querschnittsansicht,aufgenommen entlang Linie 6-6 in 5; 6 10 is an enlarged cross-sectional view taken along line 6-6 in FIG 5 ;
    [0018] 7 isteine vergrößerte, fragmentarische Querschnittsansicht,aufgenommen entlang einer Seite des Brennstoffzellenstapels von 2 und 3 und zeigt die nachgiebigen Dichtungenklarer; 7 FIG. 14 is an enlarged, fragmentary, cross-sectional view taken along one side of the fuel cell stack of FIG 2 and 3 and shows the compliant seals more clearly;
    [0019] 8 isteine perspektivische Ansicht von einem der in 7 dargestellten nachgiebigen Dichtungen; 8th is a perspective view of one of the in 7 shown compliant seals;
    [0020] 9 isteine Querschnittsansicht der in 8 gezeigtennachgiebigen Dichtung; 9 is a cross-sectional view of the in 8th compliant seal shown;
    [0021] 10 isteine Draufsicht eines Streifens von Keramik-Band, welches ein Teil der in 5 gezeigten Flachröhre bildet; 10 is a top view of a strip of ceramic tape which is a part of the in 5 shown flat tube forms;
    [0022] 11 isteine Draufsicht eines anderen Streifens Keramik-Band, bevor diesermit dem in 10 gezeigtenStreifen verbunden wird; 11 is a top view of another strip of ceramic tape before it is in with the 10 strip shown is connected;
    [0023] 12 isteine Grafik, welche das elektrische Betriebsverhalten der Brennstoffzellegemäß der bevorzugtenAusführungsformzeigt; 12 FIG. 12 is a graph showing the electrical performance of the fuel cell according to the preferred embodiment;
    [0024] 13 isteine Draufsicht eines Brennstoffzellenmoduls, welches eine Flachbrennstoffzellenröhre gemäß eineralternativen Ausführungsformder Erfindung einsetzt, wobei aus Klarheitsgründen die Abdeckung des Modulsentfernt ist; 13 12 is a top view of a fuel cell module employing a flat fuel cell tube in accordance with an alternative embodiment of the invention with the module cover removed for clarity;
    [0025] 14 isteine Seitenansicht der in 13 gezeigtenBrennstoffzelle; 14 is a side view of the in 13 fuel cell shown;
    [0026] 15 isteine vergrößerte Querschnittsansichtvon einer der Flachröhren,welche in dem in 13 gezeigtenBrennstoffstapel verwendet werden; 15 Fig. 3 is an enlarged cross-sectional view of one of the flat tubes used in the in 13 fuel stack shown are used;
    [0027] 16 isteine Ansicht ähnlich 15, zeigt aber eine Mehrzahlvon Röhrenin gestapelter, miteinander verbundener Anordnung; und, 16 is similar to a view 15 , but shows a plurality of tubes in a stacked, interconnected arrangement; and,
    [0028] 17 isteine Seitenansicht der in 15 gezeigtenBrennstoffzellenröhre. 17 is a side view of the in 15 shown fuel cell tube.
    [0029] Zuerst wird auf 1 Bezug genommen. Die vorliegende Erfindungbetrifft Verbesserungen von Festoxydbrennstoffzellen ("solid oxide fuelcells", SOFCs) derengrundsätzlicheBetriebsweise im Stand der Technik gut bekannt ist. Ein SOFC, imAllgemeinen mit Ziffer 20 bezeichnet, weist einen Elektrolyten 22 auf,welcher zwischen einer Anode 24 und einer Kathode 26 angeordnetist. Ein erstes Prozessgas, wie der in Luft vorhandene Sauerstoff,wird mit der Kathode 26 in Kontakt gebracht, und wird andieser reduziert, währendein zweites Prozessgas, wie etwa Wasserstoff, mit der Anode 24 inKontakt gebracht wird. Der an der Kathode 26 reduzierteSauerstoff wird in negativ geladene Sauerstoff-Ionen konvertiert,welche durch den Elektrolyten 22 zur Anode 24 wandern,wo sie mit dem Wasserstoffbrennstoffgas reagieren. Das Brennstoffgaswird von den Sauerstoff-Ionen oxidiert und gibt Elektronen an einen externenSchaltkreis ab, wo sie eine elektromotorische Kraft oder Spannungerzeugen, welche durch das Voltmeter 28 dargestellt ist.Die Elektronen wandern dann zur Kathode 26, wo sie Sauerstoffaus der Luft reduzieren, wodurch der elektrizitätserzeugende Zyklus geschlossenwird. Eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 20 kann zusammen-gestapeltund in Serie miteinander verbunden werden, um größere Elektrizitäts-Mengenzu liefern.First up 1 Referred. The present invention relates to improvements in solid oxide fuel cells (SOFCs) whose basic operation is well known in the art. An SOFC, generally with a number 20 denotes an electrolyte 22 on which is between an anode 24 and a cathode 26 is arranged. A first process gas, such as the oxygen present in air, is generated with the cathode 26 contacted, and is reduced to this, while a second process gas, such as about hydrogen, with the anode 24 is brought into contact. The one on the cathode 26 reduced oxygen is converted into negatively charged oxygen ions, which are released by the electrolyte 22 to the anode 24 migrate where they react with the hydrogen fuel gas. The fuel gas is oxidized by the oxygen ions and releases electrons to an external circuit, where they generate an electromotive force or voltage, which is generated by the voltmeter 28 is shown. The electrons then migrate to the cathode 26 where they reduce oxygen from the air, completing the electricity-generating cycle. A variety of fuel cells 20 can be stacked together and connected in series to deliver larger quantities of electricity.
    [0030] Es wird nun Bezug genommen auf 2-6, welche Details der Flachrohrbrennstoffzellengemäß der bevorzugtenAusführungsformder Erfindung zeigen, welche in einem Brennstoffzellenstapel angeordnetsind, welcher im allgemeinen mit der Ziffer 30 bezeichnetist. Der Brennstoffzellenstapel 30 enthält eine Mehrzahl von gestapeltenFlachrohrbrennstoffzellen 32, welche von einer geeignetenKlammer- oder Befestigungs-Vorrichtung (nicht dargestellt) in einerparallelen, aneinander gepressten Anordnung gehalten werden, undwelche üblicherweisevon einem schützendenGehäuse(nicht dargestellt) umgeben sind. Die Flachröhren 32 sind durchAbstandhalter 34 mit Abständen zueinander gehalten, umeine Serie von Gasflusskanälen 36 zwischenden gegenüberliegenden,einander zugewandten Seiten der Röhren 32 zu bilden.Der Brennstoffzellenstapel 30 ist von einem so genanntenKreuzfluss- oder Orthogonalfluss-Typ, bei welchem das erste Prozessgas unddas zweite Prozessgas in orthogonalen Richtungen fließen. Indem vorliegenden Beispiel fließtein erstes Prozessgas, wie etwa Wasserstoffbrennstoff, longitudinaldurch späterbeschriebene Gasdurchgangswege in den Röhren 32, während einzweites Prozessgas, wie etwa Luft, in einer Richtung quer zum Gasflussdurch die Röhren 32 durchdie Gasflusskanäle 36 fließt.Reference is now made to 2 - 6 which show details of the flat tube fuel cells according to the preferred embodiment of the invention, which are arranged in a fuel cell stack, generally denoted by the numeral 30 is designated. The fuel cell stack 30 contains a plurality of stacked flat tube fuel cells 32 which are held in a parallel, pressed arrangement by a suitable clamp or fastening device (not shown) and which are usually surrounded by a protective housing (not shown). The flat tubes 32 are by spacers 34 spaced apart to form a series of gas flow channels 36 between the opposite, facing sides of the tubes 32 to build. The fuel cell stack 30 is of a so-called cross flow or orthogonal flow type, in which the first process gas and the second process gas flow in orthogonal directions. In the present example, a first process gas, such as hydrogen fuel, flows longitudinally through gas passageways described later in the tubes 32 while a second process gas, such as air, is in a direction transverse to the gas flow through the tubes 32 through the gas flow channels 36 flows.
    [0031] Jede der flachen Röhren 32 enthält eineoder mehrere longitudinale Gasflussdurchgänge 44, welche sichim Wesentlichen überihre gesamte Länge erstrecken.Die Durchgänge 44 sindinnerhalb des Körperseiner Anode 42 ausgebildet, deren entgegengesetzten flachenSeiten von einer Schicht eines Festoxydelektrolyten 40 bedecktsind. Beide Seiten des Elektrolyten 40 sind mit einer Kathode 38 bedeckt, sodass jede der Flachröhren 32 ersteund zweite Anode-Elektrolyt-Kathode-Flächen aufweist, wobeidie Anode 42 mit dem ersten Prozessgas in Kontakt steht,und die Kathode 38 mit dem zweiten Prozessgas in Kontaktsteht.Each of the flat tubes 32 contains one or more longitudinal gas flow passages 44 , which extend essentially over their entire length. The passages 44 are inside the body of an anode 42 formed, the opposite flat sides of a layer of a solid oxide electrolyte 40 are covered. Both sides of the electrolyte 40 are with a cathode 38 covered so that each of the flat tubes 32 has first and second anode-electrolyte-cathode surfaces, the anode 42 is in contact with the first process gas, and the cathode 38 is in contact with the second process gas.
    [0032] Jede der Flachröhren 32 weist eineerste, sich quer erstreckende Durchgangsöffnung 46 auf, welcheeinen Gaseinlass in ein Ende der Röhre bildet, und eine zweite,sich quer erstreckende Durchgangsöffnung 48, welcheeinen Gasauslass am entgegengesetzten Ende der Röhre 32 bildet. Ähnliche Durchgangsöffnungensind in den Abstandhaltern 34 ausgebildet, koaxial mitden Durchgangsöffnungen 46, 48.Wie am besten in 2 zusehen ist, kommunizieren die Einlässe und Auslässe 46 beziehungsweise 48 mitden entgegengesetzten Enden der Gasdurchgänge 44 in der Röhre 32.Die ausgerichteten Öffnungen 46, 48 inden Röhren 32 unddie in den Abstandhaltern 34 ausgebildeten bilden ein Zuführkanal 46,welcher das erste Prozessgas von einer mit Pfeil 43 bezeichnetenQuelle zu den Einlass-Seiten der Durchgänge 44 zuführt. In ähnlicherWeise bilden die Durchgangsöffnungen 48 einenAbgaskanal 48, welcher erstes Prozessgas von den Auslassenden derDurchgänge 44 zueinem mit dem Pfeil 45 bezeichneten Stapel-Abgas-Auslassträgt.Each of the flat tubes 32 has a first, transversely extending through opening 46 which forms a gas inlet into one end of the tube and a second, transversely extending through opening 48 which has a gas outlet at the opposite end of the tube 32 forms. Similar through openings are in the spacers 34 formed, coaxial with the through openings 46 . 48 , As best in 2 can be seen, the inlets and outlets communicate 46 respectively 48 with the opposite ends of the gas passages 44 in the tube 32 , The aligned openings 46 . 48 in the tubes 32 and those in the spacers 34 trained form a feed channel 46 which is the first process gas from an arrow 43 designated source to the inlet sides of the passageways 44 supplies. The through openings form in a similar manner 48 an exhaust duct 48 which first process gas from the outlet ends of the passages 44 to one with the arrow 45 designated stack exhaust outlet carries.
    [0033] Wie in 6 gezeigt,kann in Abhängigkeit vondem Herstellungsverfahren und der Größe der Röhren 32 die Anode 42 miteiner oder mehreren inneren Tragewänden 42B ausgebildetsein, welche zusammen mit Seitenwänden 42A den Gasdurchgang 44 inmehrere Flusskanäleeinteilen. Die Tragewände 42B verhinderndas Zusammenfallen der Röhrenwährendihrer Herstellung.As in 6 shown, depending on the manufacturing process and the size of the tubes 32 the anode 42 with one or more inner walls 42B be formed, which together with side walls 42A the gas passage 44 divide into several river channels. The carrying walls 42B prevent the tubes from collapsing during their manufacture.
    [0034] Gemäß der vorliegenden Erfindungsind die Gaseinlass- und Auslass-Öffnungen 46, 48 mittels ringförmig geformter,nachgiebiger Dichtungen 52 (7)abgedichtet, welche aus einem nachgiebigen Material wie etwa Talkumoder Glimmer ausgebildet sein können.Das in den Dichtungen 52 verwendete Talkum kann eine mittlereKorngröße von ungefähr 0,5 bis ungefähr 10,0Mikrometern aufweisen, und wird eine ausreichende Dicke haben, sodass das Talkum die Hohlräumein den gegenüberliegenden, geklammertenFlächender Röhren 32 abdichtet, wenndie Röhren 32 ineinem Stapel zusammen gepresst werden, wodurch zwischen diesen einegasdichte Dichtung erzeugt wird. Die Dichtungen 52 können beiniedriger Kompression in einer geeigneten Form vorgeformt werden.Obwohl die Dichtung 52 direkt zwischen einander zugewandteFlächeneines Abstandhalters 34 und einer Kathodenfläche deranschließendenPlatte 32 zwischengelegt werden können, ist es bevorzugt, siein zylindrisch geformte Ausnehmungen 50 einzubringen, welchekoaxial mit den zugehörigenZulieferkanälen 46, 48 inden Abstandshaltern 34 ausgebildet sind. Durch Einbringender Dichtung 52 in die Ausnehmungen 50 werdendie Seiten der Talkumdichtung eingeschränkt, was darauf abzielt, einlaterales Deformieren der Dichtung zu verhindern, wodurch die Dichtqualität verbessert wird.According to the present invention, the gas inlet and outlet openings are 46 . 48 by means of ring-shaped, flexible seals 52 ( 7 ) sealed, which can be formed from a resilient material such as talc or mica. That in the seals 52 Talc used may have an average grain size of about 0.5 to about 10.0 microns and will be of sufficient thickness so that the talc will fill the voids in the opposed, clamped surfaces of the tubes 32 seals when the tubes 32 are pressed together in a stack, creating a gas-tight seal between them. The seals 52 can be preformed in a suitable shape with low compression. Although the seal 52 directly between facing surfaces of a spacer 34 and a cathode surface of the adjoining plate 32 can be interposed, it is preferred to place them in cylindrical recesses 50 to bring in which is coaxial with the associated supply channels 46 . 48 in the spacers 34 are trained. By inserting the seal 52 into the recesses 50 the sides of the talc seal are restricted, which aims to prevent the seal from deforming laterally, thereby improving the seal quality.
    [0035] Eine alternative Ausführungsformder Talkdichtung 52 ist in 8 und 9 gezeigt. Als ein zusätzlichesMerkmal ist ein nachgiebiger, zylindrisch geformter Metall-Leiter 90,beispielsweise aus Kupfer, konzentrisch in einem äußeren Talk-Körper 88 angeordnet.Der Leiter 90 bildet eine elektrische Verbindung, welchesich überdie gesamte Längeder Dichtung 52 erstreckt, und welche in sich eine zentrale Öffnung 92 aufweist,um es dem ersten Prozessgas zu ermöglichen hierdurch zu fließen. EinEnde des Verbindungsleiters 90 ist an eine Anode 42 angeschlossenund das entgegengesetzte Ende ist an eine Kathode 38 einerangrenzenden Röhre 32 angeschlossen,wodurch die Röhren 32 inSerienschaltung zueinander elektrisch verbunden sind.An alternative embodiment of the talc seal 52 is in 8th and 9 shown. An additional feature is a compliant, cylindrically shaped metal conductor 90 , for example made of copper, concentrically in an outer talc body 88 arranged. The leader 90 forms an electrical connection that extends over the entire length of you tung 52 extends, and which has a central opening in it 92 has to allow the first process gas to flow through it. One end of the connecting conductor 90 is on an anode 42 connected and the opposite end is to a cathode 38 an adjacent tube 32 connected, causing the tubes 32 are electrically connected to one another in series connection.
    [0036] In den Fällen, in den höhere Betriebstemperaturenund Betrieb bei großenTemperaturzyklen in der Brennstoffzelle vorliegen, kann es wünschenswertsein, die Talkumdichtung 52 nur an den Auslassöffnungen 48 zuverwenden, wo die Temperatur des ersten Prozessgases kleiner istals an den Einlässen 46.In cases where higher operating temperatures and operation with large temperature cycles are present in the fuel cell, it may be desirable to use the talc seal 52 only at the outlet openings 48 to be used where the temperature of the first process gas is lower than at the inlets 46 ,
    [0037] In diesem Fall können nicht-nachgiebige Dichtungen,wie aus Glasperlen hergestellte zum Abdichten der Einlassöffnung verwendetwerden. Die nicht-nachgiebigen Dichtungen sind besser geeignet umein effektives Abdichten der Einlassöffnung 46 herzustellen,wenn der Gasdruck höherist als in den Auslassöffnungen 48.Auch wenn die nicht nachgiebigen Dichtungen unter Temperatureinflussnicht expandieren und kontrahieren, erlaubt das Verwenden von nachgiebigenDichtungen an der Auslassöffnung esder Gesamtanordnung, unter Temperatureinfluss zu expandieren undkontrahieren.In this case, non-compliant seals, such as those made from glass beads, can be used to seal the inlet opening. The non-compliant seals are more suitable for effectively sealing the inlet opening 46 if the gas pressure is higher than in the outlet openings 48 , Even if the non-compliant seals do not expand and contract under the influence of temperature, the use of resilient seals at the outlet opening allows the overall arrangement to expand and contract under the influence of temperature.
    [0038] Es wird nun Bezug genommen auf 13 bis 17, welche eine Flachbrennstoffzellenröhre und einFlachzellenstapel darstellen, welche eine alternative Ausführungsformder vorliegenden Erfindung bilden. Die Brennstoffzellenröhre 54 hateine flache, rohrförmigeAnode 64, welche wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsformeine innere, longitudinal erstreckte Durchgangsöffnung 66 besitzt,durch welche ein erstes Prozessgas fließen kann. Eine Schicht vonFestoxydelektrolyt 66 ist über beide flachen Seiten derAnode 64 ausgebildet. Eine über den Elektrolyten 66 ausgebildeteKathode 56 erstreckt sich, hier am besten in den 15 und 17 zu sehen, über die Seiten der Röhre 54 nachunten, allerdings nicht vollständig,so dass sie einen Streifen 58 des Elektrolyten 66 offenliegenlässt.Der offenliegende Streifen des Elektrolyten 58 bildet einenReaktionsbereich, da er dem überdie äußeren Flächen der Röhre 54 fließenden zweitenProzessgas ausgesetzt ist. Ein elektrisch leitender Streifen 60 istam Boden der Röhre 54 ausgebildet.Wie in 16 gezeigt, wirdder leitfähigeStreifen 60 verwendet, um zwei Brennstoffzellenstapel 69 miteinander zu verbinden. Genauer gesagt verbinden die leitfähigen Streifen 60 dieAnoden 64 des oberen Stapels mit der Kathode 56 derdarunterliegenden Stapel.Reference is now made to 13 to 17 10, which illustrate a flat fuel cell tube and a flat cell stack, which form an alternative embodiment of the present invention. The fuel cell tube 54 has a flat, tubular anode 64 which, as in the previously described embodiment, has an inner, longitudinally extending through opening 66 has, through which a first process gas can flow. A layer of solid oxide electrolyte 66 is over both flat sides of the anode 64 educated. One over the electrolyte 66 trained cathode 56 extends, best here in the 15 and 17 to see over the sides of the tube 54 down, though not completely, so that they have a streak 58 of the electrolyte 66 leaves open. The exposed strip of the electrolyte 58 forms a reaction area as it passes over the outer surfaces of the tube 54 flowing second process gas is exposed. An electrically conductive strip 60 is at the bottom of the tube 54 educated. As in 16 shown is the conductive strip 60 used to make two fuel cell stacks 69 to connect with each other. More specifically, the conductive strips connect 60 the anodes 64 of the top stack with the cathode 56 the stack below.
    [0039] Im Gegensatz zu der vorher beschriebenen bevorzugtenAusführungsform,in welcher aneinanderliegende Röhrendurch querverlaufende Durchgangsöffnungenin den Röhrenverbunden sind, weisen die Flachröhren 54 nicht solche Öffnungenauf, sondern ihre Enden sind stattdessen offen, und bilden Gaseinlässe undAuslässeaus.In contrast to the preferred embodiment described above, in which adjacent tubes are connected by transverse through openings in the tubes, the flat tubes have 54 not such openings, but instead their ends are open, forming gas inlets and outlets.
    [0040] Wie in 13 gezeigt,wird ein Brennstoffzellenmodul durch Untereinander-Verbinden einer Mehrzahlvon Flachröhren 54 innerhalbeines gasdichten Gehäuses 68 ausgebildet.Das Gehäuse 68 weisteinen Gaseinlass 78 auf, welcher mit einer geeigneten Quellevon Brennstoffgas, wie etwa Wasserstoff, und ein Gasauslass 80 verbundenist. Durch den Einlass 78 empfangenes Gas verläuft durcheinen ersten Raum 70 in der Richtung des Pfeils 72. DerRaum 70 verteilt das Gas zu den Einlassöffnungen in den Enden der Röhren 56.Dass die Röhren 54 verlassendeGas an den Auslassenden wird in einem zweiten Raum 74 gesammelt,welcher das Gas in Richtung des Pfeils 76 zu dem Gasauslass 80 leitet. DieFlachröhrenwerden mittels Talkumdichtung 84 und Isolatoren 82,die sich jeweils überdie gesamte Höheder Röhre 56 erstrecken,parallel und mit Abständenzueinander angeordnet gehalten. Die Talkumdichtungen 84 bildeneine Dichtung zwischen den Gasflusskanälen 85 zwischen benachbarten Röhren, undden Gasräumen 70 und 74.Isolatoren 82 bewirken ein thermisches Isolieren der Dichtung 84 vonden gegen die Mitte der Röhren 54 hinerzeugten höherenTemperaturen. Die Isolatoren 82 können aus Aluminiumoxid-Zirkonoxid-Faserplatte ("alumina zirconiafiberboard") sein,und wirken auch als Abstandhalter, um den Zwischenraum zwischen benachbartenRöhren 54 aufrechtzu erhalten. Ein waffelartiger Stromsammler 85, welcherbeispielsweise aus goldüberzogenem,rostfreien Stahl hergestellt ist, ist zwischen den elektrischenVerbindungen der Kathoden von benachbarten Röhren 54 angeordnet.Die Stromsammler 86 verbinden die Röhren in jedem Stapel in Parallelschaltungzueinander, und dienen außerdemdazu, Wärmegleichmäßiger über denStapel verteilen zu helfen.As in 13 a fuel cell module is shown by interconnecting a plurality of flat tubes 54 inside a gas-tight housing 68 educated. The housing 68 has a gas inlet 78 which with a suitable source of fuel gas, such as hydrogen, and a gas outlet 80 connected is. Through the inlet 78 received gas passes through a first room 70 in the direction of the arrow 72 , The space 70 distributes the gas to the inlet openings in the ends of the tubes 56 , That the tubes 54 leaving gas at the outlet ends is in a second room 74 collected which the gas in the direction of the arrow 76 to the gas outlet 80 passes. The flat tubes are made using talcum seals 84 and isolators 82 , each covering the entire height of the tube 56 extend, held parallel and spaced from each other. The talc seals 84 form a seal between the gas flow channels 85 between neighboring tubes, and the gas spaces 70 and 74 , insulators 82 cause thermal insulation of the seal 84 from the towards the middle of the tubes 54 generated higher temperatures. The isolators 82 can be made of alumina-zirconia fiberboard ("alumina zirconia fiberboard"), and also act as a spacer around the space between adjacent tubes 54 to maintain. A waffle-like current collector 85 For example, which is made of gold-plated stainless steel, is between the electrical connections of the cathodes of adjacent tubes 54 arranged. The electricity collectors 86 connect the tubes in each stack in parallel, and also help to distribute heat more evenly across the stack.
    [0041] Die Komponententeile der vorhergehendbeschriebenen Flachröhrenwerden unter Verwendung herkömmlichverfügbarerMaterialien und bewährter Herstellungstechnikenhergestellt, welche Band-Gießen,Siebdruck und Laminieren beinhalten. Diese Herstellungstechnikenerlauben eine gute Kontrolle der Dicke von Anoden, dem Elektrolytenund den Kathoden. Die Flachröhrenwerden aus Grün-Keramik-Band("green ceramic tape") hergestellt, welches aus40–60Gewichts-Prozent NiO, 60–40Gewichts-Prozent voll stabilisierten ZrO2 (stabilisiert durch13 Gewichts-Prozent Y2O3 inder Mischung zusammen gesetzt sein kann, sowie Porenbildnern aus Reisstärke oderanderen, einem Binder wie Polyvinylbutyual ("polyvinyl butyual"), und einem Weichmacher wie Di(Propylenglykol)Dibenzoat("Di(propyleneglycol)dibenzoate"). Das Verfahrenzum Herstellen von Grün-Keramik-Bandist in der Technik gut bekannt und braucht deshalb hier nicht imDetail beschrieben zu werden. Kurz gesagt allerdings wird Grün-Band hergestelltdurch Mischen von gemahlenen Pudern einer gewünschten Partikelgröße mit Lösungsmitteln,Bindern und Weichmachern, um einen Schlamm zu bilden, welcher dannauf ein sich bewegenden Mylar-Trägeraufgetragen wird, wobei ein Doktor-Klinge ("doctor blade") verwendet wird, um eine Schichtdickevon zwischen 50 und 400 Mikrometern zu erreichen. Der sich bewegendeTräger läuft langsam,für etlichehundert Fuß,einen umschlossenen Gieß-Tisch("casting table") entlang, wobeier eine Anzahl von Phasen mit kontrollierter Trocknungs-Rate durchläuft. Verflüchtigender Lösungsmittelstabilisiert die sich verfestigende Dispersion. Das Band verlässt denTisch trocken und fertig zum Stanzen oder Schneiden in Blätter.The component parts of the flat tubes described above are manufactured using conventionally available materials and proven manufacturing techniques which include tape casting, screen printing and lamination. These manufacturing techniques allow good control of the thickness of the anodes, the electrolyte and the cathodes. The flat tubes are made from green ceramic tape, which consists of 40-60 percent by weight NiO, 60-40 percent by weight fully stabilized ZrO 2 (stabilized by 13 percent by weight Y 2 O 3 in the mixture can be composed, as well as pore formers from rice starch or others, a binder such as polyvinyl butual ("polyvinyl butyual"), and a plasticizer such as di (propylene glycol) dibenzoate ("di (propylene glycol) dibenzoate"). The process for producing green Ceramic tape is well known in the art and therefore need not be described in detail here. In short, however, green tape is made by mixing ground powders of a desired particle size with solvents, binders and plasticizers to form a slurry, which then move on Mylar carrier is applied using a doctor blade to achieve a layer thickness of between 50 and 400 microns. The moving carrier runs slowly, for several hundred feet, along an enclosed casting table, going through a number of phases at a controlled drying rate. Volatilization of the solvents stabilizes the solidifying dispersion. The tape leaves the table dry and ready for punching or cutting into leaves.
    [0042] Der nächste Schritt beinhaltet Rasterdrucken einerdünnen,pastenförmigenSchicht aus ZrO2 mit 8 Mol-% Y2O3 auf die Oberfläche des Bandes. Dieses Druckenwird unter Verwendung eines rostfreien Stahlsiebes ausgeführt, dessenDicke die Dicke der feuchten Paste steuert. Der mittels dieses Prozesses aufgebrachteFilm kann eine Dicke von zwischen 3 und 40 Mikrometern aufweisen.Mehrfache Beschichtung des gleichen oder verschiedenen Materialskönnenaufgebracht werden. Das Band und die Schicht müssen nach jedem Druckvorganggetrocknet werden. Das flexible Grün-Band mit den hierauf aufgedrucktengewünschtenMustern wird dann mit einem heißenMesser oder einer Schere zugeschnitten.The next step involves screen printing a thin, paste-like layer of ZrO 2 with 8 mol% Y 2 O 3 onto the surface of the tape. This printing is carried out using a stainless steel screen, the thickness of which controls the thickness of the wet paste. The film applied by this process can have a thickness of between 3 and 40 microns. Multiple coats of the same or different material can be applied. The tape and the layer must be dried after each printing process. The flexible green tape with the desired patterns printed on it is then cut with a hot knife or scissors.
    [0043] Es gibt mehrere Verfahren, das Bandin die Form der gewünschtenFlachröhrezu formen. Ein Verfahren zum Ausbilden der Röhre besteht in Schablonen-Druckeiner flüchtigenMaterial-Schicht, welche aus einer Mischung aus Ruß und organischen Bindernbesteht, auf eine Seite eines Streifens von getrocknetem Band. DieflüchtigeSchicht wird auf eine Seite des Bandes gedruckt, welche der die ZrO2-Schicht enthaltenen Seite des Bandes gegenüberliegt.Anschließendwird ein zweiter Streifen, welcher eine Schicht von ZrO2-Y2O3 auf einer seinerSeiten aufweist, in einer geheizten Presse, in welcher Laminierenbei 90°Cund einem Druck von 3000psi ausgefüllt wird, auf den ersten keramischenStreifen laminiert, wobei die schablonengedruckte flüchtige Schichtzwischen den beiden Streifen zwischengelegt ist. Nach dem Laminierenwerden die gebildeten Röhrenbei einer Temperatur in einen Ofen eingebracht, welche ausreichendist, das flüchtigeMaterial einzuäschern,so dass ein innerer Durchgang innerhalb der Röhre verbleibt.There are several methods of forming the tape into the shape of the desired flat tube. One method of forming the tube is by stencil printing a volatile material layer, consisting of a mixture of carbon black and organic binders, on one side of a strip of dried tape. The volatile layer is printed on one side of the tape opposite the side of the tape containing the ZrO 2 layer. A second strip, which has a layer of ZrO 2 - Y 2 O 3 on one of its sides, is then laminated onto the first ceramic strip in a heated press, in which lamination is carried out at 90 ° C. and a pressure of 3000psi, the stencil-printed volatile layer being sandwiched between the two strips. After lamination, the formed tubes are placed in an oven at a temperature sufficient to incinerate the volatile material so that an internal passageway remains within the tube.
    [0044] Ein zweites Verfahren zum Ausbildender Röhrenbeinhaltet Schneiden eines Stückesdes Grün-Bandesin dünneStreifen, welche dann mit einer Schicht von Zirkonerde-Komposit-Tinte("Zirconia compositeink") darauf inder Form, welche die Streifen ausbilden werden, Raster-bedrucktund auf die feuchte Tinte gelegt werden. Mit dem gleichen Musterwird auf die Oberseite der Streifen ein zweites Drucken ausgeführt, undein weiteres StückBand wird beigefügt,um die Röhrezu bilden. Das zusammengesetzte Teil wird dann getrocknet.A second method of trainingof the tubesinvolves cutting a pieceof the green ribbonin thinStrips, which are then covered with a layer of zirconia composite ink("Zirconia compositeink ") on it inthe shape that the stripes will form, raster-printedand put on the damp ink. With the same patterna second print is made on top of the strips, andanother pieceVolume is added,around the tubeto build. The assembled part is then dried.
    [0045] Ein drittes Verfahren zum Ausbildeneiner Röhrebesteht in Vorformen des Bandes in einer flachen Hohlraumform, welcheauf eine Temperatur von 80 bis 100°C erhitzt ist, und dann Druckeneines Binders auf die erhabenen Ränder des Bandes. Anschließend wirdein zweiter Streifen von Grün-Band aufdie Oberseite des ersten Teils laminiert, um die Röhre auszubilden.Bevor die Röhrengebrannt werden, könnenDurchgangslöchergestanzt werden und Nacharbeit ausgeführt werden.A third method of traininga tubeconsists in preforming the ribbon in a flat cavity shape, whichis heated to a temperature of 80 to 100 ° C, and then printinga tie on the raised edges of the ribbon. Then willa second strip of green tape onthe top of the first part is laminated to form the tube.Before the tubescan be burnedThrough holesare punched and rework is carried out.
    [0046] 10 zeigteinen Streifen von Grün-Band, aufwelchem eine mit Muster versehene Materialschicht aufgebracht wordenist, welche eine Umfangs-Seitenwand 42A, und eine Tragewand 42B der in 6 gezeigten Röhre ausbildet. 11 zeigt einen zweiten Randstreifen,welcher überdem mit Muster versehenen Streifen von 10 angeordnet wird, um die voll zusammengesetzteRöhre auszubilden. 10 shows a strip of green tape, on which a patterned material layer has been applied, which has a peripheral side wall 42A , and a carrying wall 42B the in 6 shown tube forms. 11 shows a second edge strip which is above the patterned strip of 10 is arranged to form the fully assembled tube.
    [0047] Unabhängig von dem oben verwendeten Herstellungsverfahrenwerden die ausgebildeten Röhrenanschließendin einen Ofen eingebracht und bei einer Temperatur von zwischen1400 und 1500°C ausgehärtet. DieRöhrenwerden dann mit einem geeigneten Kathodenmaterial aus der Lanthan-Perowskit-Familie(ABO3) beschichtet und anschließendbei einer niedrigeren Temperatur von zwischen 900 und 1000°C erneutgebrannt. Im Fall der in 13-17 gezeigten alternativenAusführungsformder Flachröhre verbleibtein longitudinaler Rand der Röhrenvom ZrO2-Elektrolyten unbeschichtet. DieserRand wird dann mit einer Schicht aus nicht porösem, leitfähigem Material bedeckt, welches,wie vorher beschrieben, auf seinen entgegengesetzten Seiten demersten beziehungsweise zweiten Prozessgas ausgesetzt ist. Der nichtporöseLeiter kann aus der Lanthan-Chromat-Familie ("lanthanum chromate family") stammen, oder eineMetallschicht sein wie Platin, Gold oder Titan-Nitrit ("titanium nitrite"). Dieser Verbindungs-Leiterist kein Struktur-Element und kann deshalb als ein Kompositmaterial("composite material") aufgebracht undentweder währenddes anfänglichen Sinterschrittesoder beim Brennen der Kathode mit den Röhren mitgebrannt werden, odergesputtert oder gemalt werden.Regardless of the manufacturing process used above, the formed tubes are then placed in an oven and cured at a temperature of between 1400 and 1500 ° C. The tubes are then coated with a suitable cathode material from the lanthanum perovskite family (ABO3) and then fired again at a lower temperature of between 900 and 1000 ° C. In the case of the 13 - 17 shown alternative embodiment of the flat tube, a longitudinal edge of the tubes remains uncoated from the ZrO 2 electrolyte. This edge is then covered with a layer of non-porous, conductive material which, as previously described, is exposed on its opposite sides to the first or second process gas. The non-porous conductor can come from the lanthanum chromate family ("lanthanum chromate family"), or it can be a metal layer such as platinum, gold or titanium nitrite ("titanium nitrite"). This connection conductor is not a structural element and can therefore be applied as a composite material and either burned with the tubes during the initial sintering step or when the cathode is fired, or sputtered or painted.
    [0048] Die wie oben beschrieben gebildetenRöhren werdendann zusammengesetzt, wobei die Talkumdichtung dazwischen angeordnetsind und die Gaseinlass- und Auslassöffnung an den Enden der Röhre umgeben.Die Röhrenund Dichtungen werden mit einer geeigneten Vorrichtung zusammengeklemmt undin eine geeignete Umhüllungeingebracht, wie etwa ein Gehäuseaus rostfreiem Stahl.The ones formed as described aboveBecome tubesthen assembled, with the talcum seal in betweenand surround the gas inlet and outlet opening at the ends of the tube.The tubesand seals are clamped together with a suitable device andin a suitable wrappingintroduced, such as a housingmade of stainless steel.
    [0049] Aus dem vorhergehenden kann gewürdigt werden,dass die rohrförmigenFlachplatte-Brennstoffzellen und die Verfahren zu deren Herstellung, welcheoben beschrieben wurden, nicht nur zum zuverlässigen Erreichen der Zieleder Erfindung dienen, sondern dass sie dies in einer besonders effektiven und ökonomischenArt tun. Es sei selbstverständlich angemerkt,dass Fachleute verschiedene Modifikationen und Ergänzungenausführenkönnen,ausgewähltum die Erfindung zu illustrieren ohne vom Geist und Umfang des vorliegendenBeitrags zur Technik abzuweichen. Dementsprechend sei angemerkt, dassder hiermit nachgesuchte und zu gestattende Schutz als sich aufden beanspruchten Gegenstand und alle seine Äquivalente innerhalb des Bereiches derErfindung erstreckend angesehen werden soll.From the foregoing, it can be appreciated that the tubular flat plate fuel cells and methods of making them described above not only serve to reliably achieve the objectives of the invention but that they do so in a particularly effective and economical manner. It should of course be noted that experts can carry out various modifications and additions chosen to illustrate the invention without departing from the spirit and scope of the present contribution to technology. Accordingly, it should be noted that the protection sought and permitted hereby is to be considered as extending to the claimed subject matter and all of its equivalents within the scope of the invention.
    权利要求:
    Claims (35)
    [1]
    Brennstoffzellenanordnung, aufweisend: eine Mehrzahlvon flachen Röhren,welche jeweils eine erste und eine zweite Anode-Elektrolyt-Kathode-Fläche aufweisen,einen inneren Durchgang, durch welchen ein erstes Prozessgas über dieerste Fläche fließen kann,eine Gaseinlassöffnungan einem Ende hiervon, um es dem ersten Prozessgas zu ermöglichen,in den Durchgang einzutreten, und eine Gasauslassöffnung amentgegengesetzten Ende hiervon, um es dem ersten Prozessgas zu ermöglichen, denDurchgang zu verlassen, wobei die Röhren parallel und mit Zwischenräumen zueinandermit dazwischen angeordneten Gasflusskanälen angeordnet sind, um denFluss des zweiten Prozessgases überdie zweite Flächeder Röhrenzu leiten; und eine gasdichte Dichtung an den entgegengesetzten Endender Röhren,angrenzend an die Einlass- und Auslassöffnungen, zum Abdichten derRöhren-Endenvon den Gasflusskanälen.A fuel cell assembly comprising: a pluralityof flat tubes,which each have a first and a second anode-electrolyte-cathode surface,an inner passage through which a first process gas passes through thefirst surface can flow,a gas inlet openingat one end of it to allow the first process gasto enter the passageway and a gas outlet onopposite end of this to enable the first process gas thatLeaving passagethe tubes being parallel and with spaces between themwith gas flow channels arranged therebetween, around whichFlow of the second process gas overthe second surfaceof the tubesto lead; anda gas-tight seal at the opposite endsthe tubes,adjacent to the inlet and outlet openings, to seal theTube endsfrom the gas flow channels.
    [2]
    Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei: jededer Röhrenan den entgegengesetzten Enden hiervon eine erste beziehungsweiseeine zweite Durchgangsöffnungaufweist, wobei die Durchgangsöffnungenmit der Einlass-Öffnungbeziehungsweise der Auslassöffnungkommunizierend sind, und wobei die Dichtung ein ringförmiges Dichtelement aufweist,von welchem jede der ersten beziehungsweise zweiten Durchgangsöffnungenumgeben ist, wobei jedes der Dichtelemente zwischen einander gegenüberliegendenFlächenvon aneinander angrenzenden Röhrenangeordnet ist, und an diese jeweils andrückt.The fuel cell according to claim 1, wherein:eachof the tubesat the opposite ends thereof a first one respectivelya second through openinghas, the through openingswith the inlet openingor the outlet openingare communicating, andthe seal having an annular sealing element,from which each of the first and second through openingsis surrounded, each of the sealing elements between opposite one anothersurfacesof adjacent tubesis arranged, and presses against them.
    [3]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 2, wobei die Dichtelemente,von welchen wenigstens eine der ersten und zweiten Durchgangsöffnungenumgeben ist, aus einem Material hergestellt sind, welches aus derGruppe, welche aus Talkum und Glimmer besteht, ausgewählt ist.The fuel cell according to claim 2, wherein the sealing elements,at least one of the first and second through openingsis surrounded, are made of a material which is made of theGroup consisting of talc and mica is selected.
    [4]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 3, wobei die Dichtelemente,von welchen eine der ersten und zweiten Durchgangsöffnungenumgeben ist, aus einem nachgiebigen Material hergestellt sind, undwobei die Dichtelemente, von welchen die andere der ersten und zweitenDurchgangsöffnungenumgeben ist, aus einem nicht-nachgiebigen Material hergestellt sind.The fuel cell according to claim 3, wherein the sealing elements,from which one of the first and second through holesis surrounded, are made of a resilient material, andthe sealing elements, of which the other of the first and secondThrough openingsis surrounded, are made of a non-compliant material.
    [5]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 2, wobei wenigstensbestimmte der Röhrenan den entgegengesetzten Enden ausgebildete Abstandhalter aufweisen,um die Röhrenmit Zwischenraum zueinander angeordnet zu halten, und wobei dieerste beziehungsweise zweite Durchgangsöffnung durch die Abstandhalterverläuft.The fuel cell according to claim 2, wherein at leastcertain of the tubeshave spacers formed at the opposite ends,around the tubesto keep spaced from each other, and being thefirst and second through openings through the spacersruns.
    [6]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 5, wobei jeder derAbstandhalter eine Ausnehmung aufweist, um eines der ringförmigen Dichtelementedarin aufzunehmen.The fuel cell according to claim 5, wherein each of theSpacer has a recess around one of the annular sealing elementsto record in it.
    [7]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei jede derDichtungen einen äußeren nachgiebigen Dichtabschnittund einen inneren nachgiebigen Leiter zum elektrischen Verbindenbenachbarter Röhren aufweist.The fuel cell according to claim 1, wherein each of theSeals an outer compliant sealing portionand an inner compliant conductor for electrical connectionneighboring tubes.
    [8]
    Brennstoffzelle gemäß Anspruch 2, wobei die gasdichteDichtung eine Mehrzahl von Dichtungen aufweist, welche jeweils zwischenden Röhrenangeordnet sind und sich im Wesentlichen über die gesamte Höhe der Röhren erstrecken,wobei jede der Dichtungen ein Ende einer Röhre gegenüber einem angrenzenden derGasflusskanäleabdichtet.Fuel cell according to claim 2, wherein the gas-tightSeal has a plurality of seals, each betweenthe tubesare arranged and extend essentially over the entire height of the tubes,each of the seals having one end of a tube facing an adjacent one of theGas flow channelsseals.
    [9]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 8, aufweisend: einenersten Gasraum zum Zuliefern des ersten Prozessgases zu den Gaseinlassöffnungen, undeinen zweite Gasraum zum Sammeln des ersten Prozessgases von denAuslassöffnungen.The fuel cell according to claim 8, comprising: onefirst gas space for supplying the first process gas to the gas inlet openings, anda second gas space for collecting the first process gas from theOutlet ports.
    [10]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei jede derRöhrenentlang einer ihrer Längsseiten einenelektrischen Verbinder aufweist.The fuel cell according to claim 1, wherein each of theroaralong one of its long sideshas electrical connector.
    [11]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei jede derRöhrenwenigstens zwei parallele Schichten aus gesintertem Keramik-Bandaufweist.The fuel cell according to claim 1, wherein each of theroarat least two parallel layers of sintered ceramic tapehaving.
    [12]
    Zum Einsatz in einer Brennstoffzellenanordnung eineBrennstoffzelle, aufweisend: wenigstens zwei flache Röhren, welchejeweils einen geschlossenen, kontinuierlichen Körper und erste und zweite Anode-Elektrolyt-Kathode-Flächen aufweisen,wobei jede der Röhrenferner einen inneren Längs-Durchgangaufweist, durch welchen ein erstes Prozessgas über die erste Fläche fließen kann,eine Gaseinlassöffnungan einem Ende der Röhre,um es dem ersten Prozessgas zu erlauben, in den Durchgang einzutreten,und eine Gasauslassöffnungan dem gegenüberliegendenEnde der Röhre,um es dem ersten Prozessgas zu erlauben, den Durchgang zu verlassen; wobeidie Röhrenmit Zwischenraum zueinander angeordnet sind, um dazwischen einenGasflusskanal auszubilden, durch welchen ein zweites Prozessgas über dieRöhrenfließenkann; und, eine erste, gasdichte Dichtung zwischen den Röhren zumAbdichten der Gaseinlassöffnunggegenüber demGasflusskanal.A fuel cell for use in a fuel cell assembly, comprising: at least two flat tubes, each having a closed, continuous body and first and second anode-electrolyte-cathode surfaces, each of the tubes further having an inner longitudinal passage through which a first process gas may flow over the first surface, a gas inlet port at one end of the tube to allow the first process gas to enter the passageway, and a gas outlet port at the opposite end of the tube to allow the first process gas to pass through the passageway to leave; the tubes being spaced apart to form a gas flow channel therebetween through which a second process gas can flow over the tubes; and, a first gas-tight seal between the tubes to seal the gas inlet opening from the gas flow channel.
    [13]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 12, wobei: dieRöhre aneinem ihrer Enden eine erste Durchgangsöffnung aufweist, wobei dieerste Durchgangsöffnungmit der Einlassöffnungkommunizierend ist, und wobei die erste Dichtung ein erstesringförmiges Dichtelementaufweist, von welchem die erste Durchgangsöffnung umgeben ist, und welchesan gegenüberliegendenSeiten der Röhrenangreift.The fuel cell of claim 12, wherein:theTube onone of its ends has a first through opening, thefirst through openingwith the inlet openingis communicating, andthe first seal being a firstannular sealing elementwhich surrounds the first through opening, and whichon oppositeSides of the tubesattacks.
    [14]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 13, aufweisend einezweite gasdichte Dichtung zwischen den Röhren zum Abdichten der Gasauslassöffnung gegenüber demGasflusskanal.The fuel cell according to claim 13, comprising onesecond gas-tight seal between the tubes for sealing the gas outlet opening from theGas flow channel.
    [15]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 14, wobei jededer Röhreneine zweite Durchgangsöffnungan ihrem entgegengesetzten Ende aufweist, wobei die zweite Durchgangsöffnung mitder Auslassöffnungkommunizierend ist, und wobei die zweite Dichtung ein zweites,ringförmiges, nachgiebigesDichtelement aufweist, von welchem die zweite Durchgangsöffnung umgebenist, und welches an gegenüberliegendenSeiten der Röhrenangreift.The fuel cell according to claim 14,where eachof the tubesa second through openinghas at its opposite end, the second through opening withthe outlet openingis communicating, andthe second seal being a second,ring-shaped, compliantHas sealing element, which surrounds the second through openingand which is on oppositeSides of the tubesattacks.
    [16]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 13, wobei die ersteDichtung aus Glasperlen ausgebildet ist.The fuel cell of claim 13, wherein the firstSeal is made of glass beads.
    [17]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 16, wobei wenigstenseine der ersten und zweiten Dichtung ringförmig ist und einen nachgiebigenelektrischen Leiter in sich aufweist, um eine elektrische Verbindungzwischen den Röhrenherzustellen.The fuel cell of claim 16, wherein at leastone of the first and second seals is annular and a compliant onehas electrical conductor in it to an electrical connectionbetween the tubesmanufacture.
    [18]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 17, wobei der Leiterringförmigist und einen Kanal begrenzt, durch welchen das erste Prozessgaszwischen den Röhrenfließenkann.The fuel cell of claim 17, wherein the conductorannularand delimits a channel through which the first process gasbetween the tubesflowcan.
    [19]
    Die Brennstoffzelle gemäß Anspruch 15, aufweisend ersteund zweite Abstandhalter, um die Röhren mit Zwischenräumen zueinanderanzuordnen, wobei die erste beziehungsweise zweite Durchgangsöffnung jeweilsdurch den ersten beziehungsweise zweiten Abstandhalter verläuft.The fuel cell according to claim 15, comprising firstand second spacers to space the tubes apartto be arranged, the first and second through openings in each caseruns through the first or second spacer.
    [20]
    Ein Verfahren zum Herstellen einer Flachbrennstoffzellenröhre, aufweisenddie Schritte: (A) Anordnen zweier Streifen von unausgehärtetem Keramik-Band in Fläche-an-Fläche-Kontakt; (B)Ausbilden eines in Längsrichtungverlaufenden Gasflussdurchgangs zwischen den Streifen; und, (C)Verbinden der Streifen miteinander durch Aushärten der Streifen bei höheren Temperaturen.A method of making a flat fuel cell tube, comprisingthe steps:(A) placing two strips of uncured ceramic tape in face-to-face contact;(B)Form one in the longitudinal directionextending gas flow passage between the strips; and,(C)Join the strips together by curing the strips at higher temperatures.
    [21]
    Verfahren gemäß Anspruch20, wobei Schritt (A) ein Zusammen-Laminieren der Streifen unter Druckbeinhaltet.Method according to claim20, wherein step (A) laminates the strips together under pressureincludes.
    [22]
    Verfahren gemäß Anspruch20, aufweisend den Schritt eines Aufbringens einer Schicht aus Elektrolyt-Materialauf gegenüberliegendeSeiten von jedem der Streifen.Method according to claim20, comprising the step of applying a layer of electrolyte materialon oppositeSides of each of the strips.
    [23]
    Verfahren gemäß Anspruch20, wobei Schritt (B) ausgeführtwird durch: Aufbringen einer Schicht aus flüchtigem Material auf die Fläche vonwenigstens einem der Streifen, und Heizen des Rohrkörpers aufeine ausreichende Temperatur, um die flüchtige Schicht einzuäschern und hierdurcheinen Hohlraum auszubilden, welcher den Durchgang bildet.Method according to claim20, wherein step (B) is carried outis through:Apply a layer of volatile material to the surface ofat least one of the strips, andHeating up the tube bodya sufficient temperature to cremate the volatile layer and therebyto form a cavity which forms the passage.
    [24]
    Das Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei Schritt(B) ausgeführtwird durch: Einbringen eines ersten der Streifen in einen Form-Hohlraum, Erhitzendes ersten Streifens auf eine Temperatur, welche ausreicht, um denStreifen zu veranlassen, sich der Form des Hohlraums anzupassen, Aufbringeneines Binders auf die Rändervon wenigstens einem der Streifen, und Laminieren des zweitender Streifen auf den ersten Streifen.The method of claim 20, wherein step(B) executedis through:Inserting a first of the strips into a mold cavity,Heatof the first strip to a temperature sufficient toCausing stripes to conform to the shape of the cavity,applya tie on the edgesof at least one of the strips, andLaminate the secondthe stripe on the first stripe.
    [25]
    Das Verfahren gemäß Anspruch 24, wobei der ersteStreifen auf eine Temperatur zwischen 80 und 100 Grad C erhitztwird.The method of claim 24, wherein the firstStrip heated to a temperature between 80 and 100 degrees C.becomes.
    [26]
    Das Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei Schritt(C) durch Sintern des Röhrenkörpers beieiner Temperatur von zwischen 1400 und 1500 Grad C ausgeführt wird.The method of claim 20, wherein step(C) by sintering the tube bodya temperature of between 1400 and 1500 degrees C.
    [27]
    Das Verfahren gemäß Anspruch 26, aufweisend dieSchritte: Aufbringen einer Beschichtung aus Kathode-bildendemMaterial auf äußere Flächen desRöhrenkörpers, und Erhitzendes Röhrenkörpers aufeine Temperatur von zwischen 900 und 1200 Grad C.The method of claim 26 comprising theSteps:Applying a coating of cathode-formingMaterial on outer surfaces of theTubular body, andHeatof the tube bodya temperature of between 900 and 1200 degrees C.
    [28]
    Das Verfahren gemäß Anspruch 27, wobei das KathodebildendeMaterial ein Lanthan-basiertes Perowskit ist.The method of claim 27, wherein the cathode endMaterial is a lanthanum-based perovskite.
    [29]
    Das Verfahren gemäß Anspruch 20, aufweisend denSchritt eines Ausbildens einer elektrischen Verbindung an dem Röhrenkörper mittelsAufbringen einer Schicht aus elektrisch leitfähigem Material entlang einerSeite des Röhrenkörpers.The method of claim 20 comprising theStep of forming an electrical connection on the tube body by means ofApplying a layer of electrically conductive material along oneSide of the tube body.
    [30]
    Das Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei das Bandaus 60–40Gewichtsprozent NiO und 40–60Gewichtsprozent ZrO2/Y2O3 (13 Gewichtsprozent von YZO3 in der Mischung) besteht.The method of claim 20, wherein the band of 60-40 weight percent NiO and 40-60 weight percent ZrO 2 / Y 2 O 3 (13 weight percent of Y Z O 3 in the mixture).
    [31]
    Das Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei das ElektrolytmaterialZrO2 enthält.The method of claim 22, wherein the electrolyte material contains ZrO 2 .
    [32]
    Verfahren gemäß Anspruch20, aufweisend den Schritt eines Ausbildens eines ersten beziehungsweisezweiten Durchgangsloches, jeweils quer durch den Röhrenkörper anden entgegengesetzten Enden des Röhrenkörpers und den Durchgang kreuzend.Method according to claim20, comprising the step of forming a first one respectivelysecond through hole, each across the tube bodythe opposite ends of the tube body and crossing the passage.
    [33]
    Verfahren gemäß Anspruch20, aufweisend den Schritt eines Ausbildens einer Kathode an der Brennstoffzellenröhre durchAufbringen einer Schicht aus elektrisch leitfähigem Material auf flache Seiten desRöhrenkörpers.Method according to claim20, comprising the step of forming a cathode on the fuel cell tubeApplying a layer of electrically conductive material on flat sides of theTube body.
    [34]
    Eine Festoxid-Brennstoffzelle aufweisend: eineflache Röhremit einer ersten und einer zweiten Anode-Elektrolyt-Kathode-Fläche; eineninneren Durchgang, durch welchen ein erstes Prozessgas über dieerste Flächefließenkann; eine Gaseinlassöffnungan einem Ende hiervon, um es dem ersten Prozessgas zu erlauben,in den Durchgang einzutreten; und eine Gasauslassöffnung andem entgegengesetzten Ende, um es dem ersten Prozessgas zu ermöglichen, denDurchgang zu verlassen.Having a solid oxide fuel cell:aflat tubewith a first and a second anode-electrolyte-cathode surface;oneinner passage through which a first process gas passes through thefirst areaflowcan;a gas inlet openingat one end of it to allow the first process gasto enter the passage; anda gas outlet openingthe opposite end to allow the first process gas thatLeaving passage.
    [35]
    Ein Brennstoffzellenstapel, aufweisend: eineMehrzahl von flachen Röhren,welche parallel, mit Zwischenraum zueinander, und mit dazwischen angeordnetenGasflusskanälenangeordnet sind, um einen Fluss eines Prozessgases über eineFläche derMehrzahl von flachen Röhrenzu leiten; und eine gasdichte Dichtung an dem entgegengesetzten Endeder Mehrzahl von flachen Röhren,angrenzend an die Einlass- und die Auslass-Öffnungen zum Abdichten derRöhrenendengegenüberden Gasflusskanälen.A fuel cell stack, comprising:aPlurality of flat tubes,which are parallel, with space between them, and with in betweenGas flow channelsare arranged to flow a process gas over aArea ofPlurality of flat tubesto lead; anda gas tight seal at the opposite endthe majority of flat tubes,adjacent to the inlet and outlet openings for sealing thetube endsacross fromthe gas flow channels.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    US20040185318A1|2004-09-23|
    DE102004008231B4|2009-05-07|
    US7014934B2|2006-03-21|
    DE102004008231B9|2009-09-10|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
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