DE102011109844B3 - Fuel cell and fuel cell assembly - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einem hohlzylindrischen Tubus mit einer Zylindergrundfläche und auf dem Tubus aufgebrachten Funktionsschichten, die in wenigstens zwei Segmente unterteilt sind, wobei eine erste Funktionsschicht anodische Eigenschaften, eine zweite Funktionsschicht kathodische Eigenschaften und eine diese beiden Funktionsschichten trennende dritte Funktionsschicht elektrolytische Eigenschaften aufweist, wobei der Tubus quer zu einem Gasstrom ausgerichtet ist, und wobei die Zylindergrundfläche des Tubus eine lange Achse und eine senkrecht zu dieser ausgerichtete kurze Achse aufweist, wobei die kurze Achse quer zum Gasstrom ausgerichtet ist, und wobei die Segmente trennende Isolationen auf der langen Achse längs zum Tubus ausgerichtet angeordnet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung mit derartigen Brennstoffzellen.The invention relates to a fuel cell with a hollow cylindrical tube with a cylinder base and functional layers applied to the tube, which are divided into at least two segments, a first functional layer having anodic properties, a second functional layer cathodic properties and a third functional layer separating these two functional layers having electrolytic properties wherein the tube is oriented transversely to a gas flow, and wherein the cylinder base of the tube has a long axis and a short axis oriented perpendicular thereto, the short axis being oriented transversely to the gas flow, and wherein the segments separating insulation on the long axis are arranged aligned longitudinally to the tube. The invention also relates to a fuel cell arrangement with such fuel cells.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Brennstoffzellenanordnung nach Patentanspruch 3. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Brennstoffzellen und Brennstoffzellenanordnungen bekannt. So existieren Festoxidbrennstoffzellen [SOFC, (Solid Oxide Fuel Cell)] mit tubularem und planarem Aufbau [HPD, (High Power Density)].The invention relates to a fuel cell according to the preamble of claim 1 and a fuel cell assembly according to claim 3. From the prior art, various fuel cells and fuel cell assemblies are known. For example, Solid Oxide Fuel Cells [SOFC, Solid Oxide Fuel Cell] have a tubular and planar structure [HPD, High Power Density].

Planar aufgebaute Brennstoffzellen bestehen zum Beispiel gemäß DE 10 2004 026 714 A1 aus flachen Sinterkörpern mit parallelen Ausnehmungen und haben auf dem Sinterkörper aufgebrachte Funktionsschichten. Der Sinterkörper stellt eine erste Elektrode dar. Die Funktionsschichten umfassen eine festkeramische Elektrolytschicht und eine weitere Elektrode. Die beiden Elektroden sind als Kathode bzw. Anode ausgebildet. Dabei dient die Kathode als Luftelektrode und die Anode als Brennstoffelektrode. Mehrere aufeinander angeordnete flache Brennstoffzellen ergeben eine blockförmige Brennstoffzellenanordnung. Die parallelen Ausnehmungen bilden nunmehr Strömungskanäle für Gase, insbesondere für Luft und Brennstoff.Planar fuel cells consist, for example, according to DE 10 2004 026 714 A1 from flat sintered bodies with parallel recesses and have applied on the sintered body functional layers. The sintered body represents a first electrode. The functional layers comprise a solid-ceramic electrolyte layer and a further electrode. The two electrodes are formed as a cathode or anode. The cathode serves as an air electrode and the anode as a fuel electrode. Several flat fuel cells arranged on top of each other result in a block-shaped fuel cell arrangement. The parallel recesses now form flow channels for gases, in particular for air and fuel.

Die US 2006/0 153 974 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Festoxid-Brennstoffzelle. Das Verfahren umfasst das Herstellen eines Substrats, das Aufbringen von unterschiedlichen Materialien mittels Siebdruckverfahren zur Herstellung der Funktionsschichten und das Sintern des hergestellten Körpers. Mit diesem Verfahren wird die Produktivität gesteigert und es werden verschiedene Probleme der Sinterfähigkeit bei der Herstellung von Festoxid-Brennstoffzellen überwunden und zudem wird der elektrische Kontakt sowie die Gasdichtheit der Verbindungsleitungen verbessert.The US 2006/0 153 974 A1 describes a method for producing a solid oxide fuel cell. The method comprises producing a substrate, applying different materials by means of screen-printing methods for producing the functional layers and sintering the produced body. This process increases productivity and overcomes various sinterability issues in the production of solid oxide fuel cells, and also improves electrical contact and gas tightness of the interconnections.

Aus der JP 2004 319 152 A geht eine Festoxid-Brennstoffzelle hervor, welche einen hohlzylindrischen Tubus aufweist. Auf diesem Tubus ist eine Anodenschicht, eine Kathodenschicht und eine zwischen den beiden angeordnete Elektrolytschicht aufgebracht. Ein elektrisch leitendes, poröses Verbindungsrohr verhindert die Beschädigung der Brennstoffzelle durch thermische Belastungen. Hierdurch wird auch eine Verbesserung der Wärmebeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit erreicht, ebenso wie eine Minderung der elektrischen Verluste bei der Stromerzeugung.From the JP 2004 319 152 A goes out a solid oxide fuel cell, which has a hollow cylindrical tube. An anode layer, a cathode layer and an electrolyte layer arranged between the two are applied to this tube. An electrically conductive, porous connecting tube prevents damage to the fuel cell due to thermal loads. As a result, an improvement of the heat resistance and thermal shock resistance is achieved, as well as a reduction of electrical losses in power generation.

Bei einem tubularem Aufbau, wie ihn beispielsweise WO 2010/037670 A1 zeigt, ist jede einzelne Brennstoffzelle als hohlzylindrischer Tubus mit einer kreisrunden Zylindergrundfläche ausgebildet. Der Tubus besteht aus einem Sinterkörper. Auf dem Tubus sind Funktionsschichten aufgebracht. Diese sind eine erste als Elektrode dienende Funktionsschicht, eine aus festkeramischem Elektrolyt bestehende Funktionsschicht und eine als zweite Elektrode dienende Funktionsschicht, wobei die aus dem Elektrolyt bestehende Funktionsschicht zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist. Die von Luft umströmte Elektrode ist eine Kathode und die andere von Brennstoff umströmte Elektrode dient als Anode.In a tubular structure, such as him WO 2010/037670 A1 shows, each individual fuel cell is designed as a hollow cylindrical tube with a circular cylinder base. The tube consists of a sintered body. On the tube functional layers are applied. These are a first functional layer serving as an electrode, a functional layer consisting of a solid-ceramic electrolyte, and a functional layer serving as a second electrode, the functional layer consisting of the electrolyte being arranged between the two electrodes. The air flow around the electrode is a cathode and the other fuel-flow around electrode serves as an anode.

Zusätzlich ist beispielsweise aus EP 1 079 453 A1 bekannt, die Funktionsschichten der tubularen Brennstoffzelle zu segmentieren. Hierfür werden die Segmente elektrisch von einander getrennt. Mittels einer Reihenschaltung der Segmente ist es möglich, die von der Brennstoffzelle abgegebene Spannung zu erhöhen.In addition, for example, off EP 1 079 453 A1 It is known to segment the functional layers of the tubular fuel cell. For this purpose, the segments are electrically separated from each other. By means of a series connection of the segments, it is possible to increase the voltage delivered by the fuel cell.

In einer Brennstoffzellenanordnung sind derartige Tuben parallel zueinander und benachbart angeordnet, sowie elektrisch hintereinander und/oder gruppenweise parallel geschaltet. Zwischen den Tuben hindurch strömt dann die Luft und umströmt so die außen auf den Tuben angeordnete Kathode.In a fuel cell assembly such tubes are arranged parallel to each other and adjacent, as well as electrically connected in series and / or in groups in parallel. The air then flows between the tubes and flows around the outside of the tubes arranged cathode.

Dabei ist es jedoch notwendig, dass große Spalte zwischen den Tuben vorgesehen werden und/oder der Luftstrom mit einem Gebläse unterstützt wird. Andernfalls kann es zu einer unzureichenden Umströmung kommen. Eine große Beabstandung der Tuben geht jedoch einher mit einer relativ geringen Stromerzeugungsleistung pro Volumen der Brennstoffzellenanordnung. Es liegt dann nämlich eine geringe Packdichte der Brennstoffzellen vor. Bei einer Verringerung der Beabstandung und damit einer Erhöhung der Packdichte kann ein Eigenstromverbrauch zur Erzeugung des Luftstroms notwendig sein. Die Stromerzeugungsleistung kann dann um den Eigenstrombedarf gemindert sein. Problematisch kann auch die ungleichmäßige Umströmung entlang des Tubusumfangs sein. Insbesondere auf der zum Luftstrom gerichteten Seite kann ein Staudruck mit sehr hoher Luftversorgung herrschen und auf der dem Luftstrom abgewandten Seite kann ein Luftabriss erfolgen, sodass eine Zone der Brennstoffzelle schlecht mit Luft versorgt wird. Die ungleichmäßige Luftzufuhr kann so zu einer ungleichmäßigen Verbrennung am Umfang des Tubus und in der Folge zu thermischen Spannungen führen. Dementsprechend sollten die Brennstoffzellen so betrieben werden, dass deren schwächstes Glied nicht zerstört wird. Große Teile der Brennstoffzellen würden dann nicht an der Leistungsgrenze betrieben und die Stromerzeugungsleistung wäre gering.However, it is necessary that large gaps are provided between the tubes and / or the air flow is assisted by a blower. Otherwise, there may be an insufficient flow around. However, a large spacing of the tubes is associated with a relatively low power generation capacity per volume of the fuel cell assembly. There is then a small packing density of the fuel cells. With a reduction in the spacing and thus an increase in the packing density, a self-current consumption for generating the air flow may be necessary. The power generation capacity can then be reduced by the own power requirement. Another problem is the uneven flow around the circumference of the tube. In particular, on the side directed toward the air flow, a back pressure with a very high air supply can prevail, and on the side facing away from the air flow an air separation can take place, so that a zone of the fuel cell is poorly supplied with air. The uneven supply of air can thus lead to an uneven combustion at the periphery of the tube and as a result to thermal stresses. Accordingly, the fuel cells should be operated so that their weakest link is not destroyed. Large parts of the fuel cells would then not be operated at the power limit and the power generation capacity would be low.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine tubulare Brennstoffzelle bereitzustellen, mittels der eine höhere Stromerzeugungsleistung pro Volumen einer Brennstoffzellenanordnung erzielbar ist. Die Brennstoffzellen und die Brennstoffzellenanordnung sollen sicher im Betrieb sein und wenig kosten.The object of the invention is therefore to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide a tubular fuel cell, by means of which a higher power generation capacity per volume of a fuel cell assembly can be achieved. The fuel cells and the fuel cell assembly should be safe in operation and cost little.

Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und 3 gelöst.This is achieved with the features of claim 1 and 3 according to the invention.

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einem hohlzylindrischen Tubus mit einer Zylindergrundfläche und auf dem Tubus aufgebrachten Funktionsschichten, die in wenigstens zwei Segmente unterteilt sind, wobei eine erste Funktionsschicht anodische Eigenschaften, eine zweite Funktionsschicht kathodische Eigenschaften und eine diese beiden Funktionsschichten trennende dritte Funktionsschicht elektrolytische Eigenschaften aufweist, und wobei der Tubus, dessen Zylindergrundfläche eine lange Achse und eine senkrecht zu dieser ausgerichtete kurze Achse aufweist, die kurze Achse quer zu einem Gasstrom ausgerichtet ist, und wobei die Segmente trennende Isolationen auf der langen Achse, längs zum Tubus ausgerichtet, angeordnet sind und auf der dem Gasstrom abgewandten Abströmseite des Tubus ein Nachlauf-Schweif mit einem Querschnitt einer Tropfenspitze angeordnet ist.The invention relates to a fuel cell having a hollow cylindrical tube with a cylinder base surface and functional layers applied to the tube, which are divided into at least two segments, a first functional layer having anodic properties, a second functional layer having cathodic properties and a third functional layer separating these two functional layers having electrolytic properties and wherein the tube, the cylinder base having a long axis and a short axis aligned perpendicular thereto, the short axis is oriented transversely to a gas flow, and wherein the segments separating isolations are disposed on the long axis, longitudinal to the tube on the downstream side of the tube facing away from the gas flow, a wake tail with a cross section of a drop tip is arranged.

Sowohl die lange als auch die kurze Achse sind dabei Geometrieachsen. Diese beschreiben demnach lediglich die Ausdehnung der Zylindergrundfläche in unterschiedlichen Richtungen. Vorteilhaft ist, dass durch die Zylindergrundfläche mit einer langen Achse und einer kurzen Achse die Oberfläche der Brennstoffzelle bei gleichem Volumen vergrößerbar ist. Somit kann die Gesamtoberfläche einer Brennstoffzellenanordnung relativ zu deren Volumen groß sein. Weiterhin kann der Staudruck vor einer jeden Brennstoffzelle gering sein, da die quer zum Gasstrom ausgerichtete kurze Achse eine kleine Stirnfläche ausbilden kann. Gleichzeitig muss der Gasstrom weniger stark an den Brennstoffzellen umgelenkt werden und Verwirbelungen sind vermeidbar. Dementsprechend müsste wenig Energie für die Erzeugung des Gasstroms aufgewandt werden, bzw. können die Abstände zwischen zwei Brennstoffzellen klein ausgelegt sein. Mithin ist eine hohe Stromerzeugungsleistung mit einer Brennstoffzellenanordnung mit solchen Brennstoffzellen erreichbar.Both the long and the short axis are geometry axes. These therefore only describe the extent of the cylinder base area in different directions. It is advantageous that the surface of the fuel cell with the same volume can be increased by the cylinder base area with a long axis and a short axis. Thus, the overall surface area of a fuel cell assembly may be large relative to its volume. Furthermore, the dynamic pressure upstream of each fuel cell can be low, since the short axis aligned transversely to the gas flow can form a small end face. At the same time, the gas flow must be deflected less strongly to the fuel cells and turbulence can be avoided. Accordingly, little energy would have to be expended for the generation of the gas flow, or the distances between two fuel cells could be made small. Thus, a high power generation performance is achievable with a fuel cell assembly having such fuel cells.

Zur weiteren Verbesserung des Strömungswiderstands könnte auf der dem Gasstrom abgewandten Abströmseite des Tubus ein Nachlauf-Schweif mit einem Querschnitt einer Tropfenspitze angeordnet sein. Hierdurch reißt der Gasstrom nicht ab, sondern kann nahezu über die gesamte Oberfläche des Tubus geleitet werden. Zudem entstehen in Strömungsrichtung hinter dem Tubus weniger Verwirbelungen, sodass der Strömungswiderstand gering ist. Auch hierdurch kann sich die Stromerzeugungsleistung einer mit solchen Brennstoffzellen ausgestatteten Brennstoffzellenanordnung erhöhen.To further improve the flow resistance could be arranged on the downstream side of the tube a downstream tail with a cross section of a drop tip on the gas stream. As a result, the gas flow does not break off, but can be conducted almost over the entire surface of the tube. In addition, less turbulence arises in the flow direction behind the tube, so that the flow resistance is low. This can also increase the power generation capacity of a fuel cell arrangement equipped with such fuel cells.

Besonders vorteilhaft ist auch, dass die Isolationen auf der langen Achse angeordnet sind. Die zum Gasstrom gerichtete Fläche der Brennstoffzelle wird so thermisch weniger belastet und die Isolation auf der vom Gasstrom weggerichteten Fläche liegt in der Zone, in welcher der Gasstrom abreißt und ohnehin eine schlechtere Verbrennung vorliegen würde. Auf diese Weise können die verbleibenden großen und längs zum Gasstrom ausgerichteten Flächen besonders gleichmäßig umströmt werden. Weiterhin ist es durch die längsgerichtete Segmentierung der Funktionsschichten möglich, alle Kathoden und Anoden der Segmente am selben Ende der Brennstoffzelle mit einem elektrischen Verbindungselement auszustatten. So kann an diesem Ende der von der Brennstoffzelle erzeugte Strom abgegriffen und der Aufwand zur Herstellung der elektrischen Verbindungen verringert werden.It is also particularly advantageous that the insulation is arranged on the long axis. The surface of the fuel cell directed towards the gas flow is thus subjected to less thermal loading and the insulation on the surface away from the gas flow lies in the zone in which the gas flow breaks off and a worse combustion would occur anyway. In this way, the remaining large and aligned along the gas flow surfaces can be flowed around particularly evenly. Furthermore, it is possible by the longitudinal segmentation of the functional layers to equip all cathodes and anodes of the segments at the same end of the fuel cell with an electrical connection element. Thus, at this end of the electricity generated by the fuel cell can be tapped and the cost of producing the electrical connections can be reduced.

Vorstellbar ist auch, dass der Tubus selbst eine der Funktionsschichten ausbildet und die Funktion einer Kathode oder Anode ausübt. Hierdurch ist das nachträgliche Aufbringen einer der Funktionsschichten vermeidbar und die Herstellkosten verringerbar. Bildet der Tubus eine Funktionsschicht aus, sollte die Isolation zur Segmentierung der Funktionsschichten den gesamten Tubus in zwei Teile trennen. Die Isolation könnte hierfür bei der Herstellung direkt in einen Sinterrohling eingebracht sein und mitgesintert werden.It is also conceivable that the tube itself forms one of the functional layers and performs the function of a cathode or anode. As a result, the subsequent application of one of the functional layers can be avoided and the production costs can be reduced. If the tube forms a functional layer, the insulation for segmenting the functional layers should separate the entire tube into two parts. For this purpose, the insulation could be incorporated directly into a sintered blank during production and sintered together.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zylindergrundfläche des Tubus ovalförmig ausgebildet ist. Dies kann sich positiv auf den Strömungswiderstand der Brennstoffzelle auswirken. Vor allem kleine Radien im Bereich des Schnittpunkts der langen Achse und des Tubus sind dazu geeignet, den Strömungswiderstand zu verringern. Auf diese Weise kann nahezu die gesamte Oberfläche der Brennstoffzeile gleichmäßig vom Gasstrom umströmt werden. Lediglich eine kleine Stirnfläche, welche in Richtung des Gasstroms ausgerichtet ist, bildet dann eine Staudruckfläche. Auch der Stromabriss auf der vom Gasstrom abgewandten Seite kann sehr spät erfolgen, sodass auch hier eine möglichst große Oberfläche gut vom Gasstrom umströmt werden kann. Die runden Formen sind weiterhin wenig anfällig gegen thermische Spannungen.An embodiment of the invention provides that the cylinder base surface of the tube is oval-shaped. This can have a positive effect on the flow resistance of the fuel cell. Especially small radii in the region of the intersection of the long axis and the tube are suitable for reducing the flow resistance. In this way, almost the entire surface of the fuel line can be uniformly flowed around by the gas stream. Only a small end face, which is aligned in the direction of the gas flow, then forms a dynamic pressure surface. The current break on the side facing away from the gas flow side can be done very late, so that here as well as possible a large surface area can be flowed around by the gas stream. The round shapes are also less prone to thermal stress.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausbildung, bei der die Zylindergrundfläche des Tubus ellipsenförmig ausgebildet ist. Diese spezielle ovale Form bietet einen besonders guten Strömungswiderstand. Zudem lassen sich elliptische Brennstoffzellen hervorragend eng schachteln. Dabei können thermische Wechselbeanspruchungen sehr gut vertragen werden, da eine Ellipse in unterschiedlichen Achsen spiegelsymmetrisch aufgebaut ist und runde Formen aufweist.Particularly advantageous is an embodiment in which the cylinder base surface of the tube is formed elliptical. This special oval shape offers a particularly good flow resistance. In addition, elliptical fuel cells can be tightly packed. In this case, thermal cycling can be very well tolerated, since an ellipse is constructed mirror-symmetrically in different axes and has round shapes.

Möglich ist jedoch auch eine rechteckige Ausbildung der Zylindergrundfläche des Tubus mit abgerundeten Ecken. Abgesehen vom Radius der Ecken sind jeweils zwei Seiten bei solch einer Ausgestaltung parallel zueinander. Hierdurch können besonders viele Brennstoffzellen pro Volumen angeordnet sein. Die Oberfläche der Funktionsschichten kann bei solch einer Ausgestaltung im Verhältnis zum Volumen der Brennstoffzellenanordnung besonders hoch sein. Indem auch die langen Achsen zweier benachbarter Brennstoffzellen parallel zueinander ausgerichtet sind, kann der Strömungsquerschnitt zwischen diesen konstant ausgelegt sein. Gasumlenkungen sind so vermeidbar und der Strömungswiderstand ist dementsprechend gering. Zudem ist die gesamte Oberfläche ungefähr mit der gleichen Strömungsgeschwindigkeit umströmbar, sodass die Verbrennung sehr gleichmäßig über die Oberfläche verteilt erfolgen kann. Dies macht eine Anordnung der Brennstoffzellen mit besonders geringem Abstand möglich und erhöht ebenfalls die mögliche Oberfläche der Funktionsschichten pro Volumen einer Brennstoffzellenanordnung. Die flachen Oberflächen des Tubus können zudem besonders leicht bedruckbar sein, wodurch die Herstellungskosten für die Funktionsschichten gering gehalten werden können. However, it is also possible a rectangular design of the cylinder base of the tube with rounded corners. Apart from the radius of the corners, in each case two sides are parallel to one another in such an embodiment. As a result, a particularly large number of fuel cells can be arranged per volume. The surface of the functional layers may be particularly high in such a configuration in relation to the volume of the fuel cell assembly. By also the long axes of two adjacent fuel cells are aligned parallel to each other, the flow cross-section between them can be designed to be constant. Gas deflections are so avoidable and the flow resistance is correspondingly low. In addition, the entire surface can be flown around at approximately the same flow velocity, so that the combustion can be very uniformly distributed over the surface. This makes an arrangement of the fuel cells with a particularly small distance possible and also increases the possible surface of the functional layers per volume of a fuel cell assembly. The flat surfaces of the tube can also be particularly easily printed, whereby the manufacturing cost of the functional layers can be kept low.

Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit läge darin, die Radien der abgerundeten Ecken so stark zu erhöhen, dass die auf der langen Achse liegenden Seiten des Tubus einen halbkreisförmigen Querschnitt haben. Hierdurch ist der Strömungswiderstand des Tubus verringerbar.Another embodiment would be to increase the radii of the rounded corners so much that the lying on the long axis sides of the tube have a semi-circular cross-section. As a result, the flow resistance of the tube can be reduced.

Vorzugsweise ist die lange Achse der Zylindergrundfläche des Tubus zweimal bis sechsmal so lang ist wie die kurze Achse. Schon bei einem Längenverhältnis, bei dem die lange Achse zweimal so lang ist wie die kurze Achse einer elliptischen Zylindergrundfläche, kann sich eine notwendige Grundfläche für eine gleichermaßen leistungsfähige Brennstoffzellenanordnung um circa 23% verringern. Dies ist unter anderem auch darauf zurückzuführen, dass sich der Strömungswiderstand für den Gasstrom in diesem Bereich der Längenverhältnisse am deutlichsten verbessert, sodass die Abstände zwischen den Brennstoffzellen verkleinert werden können und/oder der Eigenstromverbrauch zur Erzeugung des Gasstroms reduziert werden kann.Preferably, the long axis of the cylinder base of the tube is twice to six times as long as the short axis. Even with a length ratio in which the long axis is twice as long as the short axis of an elliptical cylinder base area, a necessary base area for an equally efficient fuel cell arrangement can be reduced by approximately 23%. Among other things, this is due to the fact that the flow resistance for the gas flow in this range of aspect ratios improves the most, so that the distances between the fuel cells can be reduced and / or the own power consumption can be reduced to generate the gas flow.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenanordnung mit wenigsten vier Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle einen hohlzylindrischen Tubus mit einer Zylindergrundfläche und auf dem Tubus aufgebrachten Funktionsschichten aufweist, die in wenigstens zwei Segmente unterteilt sind, wobei eine erste Funktionsschicht anodische Eigenschaften, eine zweite Funktionsschicht kathodische Eigenschaften und eine diese beiden Funktionsschichten trennende dritte Funktionsschicht elektrolytische Eigenschaften aufweist, wobei der Tubus quer zu einem Gasstrom ausgerichtet ist, und wobei die Zylindergrundfläche des Tubus eine lange Achse und eine senkrecht zu dieser ausgerichtete kurze Achse aufweist, wobei die kurze Achse quer zum Gasstrom ausgerichtet ist, und wobei die Segmente trennende Isolationen auf der langen Achse längs zum Tubus ausgerichtet angeordnet sind, und wobei die Tuben der Brennstoffzellen ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen, und wobei die Tuben mit dem ersten Ende in einer Ebene angeordnet sind und die zweiten Enden der Tuben auf der gleichen Seite der Ebene liegen, wobei die Tuben derart angeordnet sind, dass zwischen diesen ausgebildete Strömungsverbindungen von einem Gaseinlass bis zu einem Gasauslass gleich lang sind und den gleichen Druckabfall aufweisen.The invention further relates to a fuel cell arrangement having at least four fuel cells, wherein each fuel cell has a hollow cylindrical tube with a cylinder base surface and functional layers applied to the tube, which are subdivided into at least two segments, wherein a first functional layer has anodic properties, a second functional layer has cathodic properties and a said third functional layer separating said two functional layers has electrolytic properties, the tube being oriented transversely to a gas flow, and wherein the cylinder base surface of the tube has a long axis and a short axis oriented perpendicular thereto, the short axis being oriented transversely to the gas flow, and wherein the segments separating isolations are arranged on the long axis aligned along the tube, and wherein the tubes of the fuel cells have a first end and a second end, and wherein the tubes with the first end are arranged in a plane and the second ends of the tubes lie on the same side of the plane, wherein the tubes are arranged such that between them formed flow connections from a gas inlet to a gas outlet are of equal length and have the same pressure drop.

Man erkennt, dass die Brennstoffzellen alle in die gleiche Richtung relativ zu der Ebene, in der die ersten Enden der Tuben angeordnet sind, zeigen. Vorzugsweise sind die Brennstoffzellen alle parallel zueinander angeordnet. Besonders günstig ist hierfür eine Anordnung der Brennstoffzellen senkrecht zu dieser Ebene. Eine solche Brennstoffzellenanordnung ermöglicht insbesondere wegen der gewählten Zylindergrundfläche eine hohe Dichte bei der Schachtelung der Brennstoffzellen. Die vorstellbare, erzielbare Oberfläche der Brennstoffzellen pro Volumen ist so besonders hoch. Dementsprechend kann auch die Stromerzeugungsleistung einer solchen Brennstoffzellenanordnung pro Volumen hoch sein. Gleichzeitig können die elektronischen Verbindungen einfach realisiert werden. Alle Anoden und Kathoden können nämlich in einer Ebene mit elektrischen Leitern verbunden werden.It can be seen that the fuel cells all point in the same direction relative to the plane in which the first ends of the tubes are arranged. Preferably, the fuel cells are all arranged parallel to one another. Particularly favorable for this purpose is an arrangement of the fuel cells perpendicular to this plane. Such a fuel cell arrangement enables a high density in the nesting of the fuel cells, in particular because of the selected cylinder base area. The imaginable, achievable surface of the fuel cells per volume is so particularly high. Accordingly, the power generation performance of such a fuel cell assembly per volume may be high. At the same time, the electronic connections can be easily realized. Namely, all anodes and cathodes can be connected in a plane with electrical conductors.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Tuben am zweiten Ende geschlossen auszugestalten. Eine Zufuhr von Gas ins Innere der Brennstoffzelle, insbesondere von Brennstoff, kann dann durch eine Öffnung am ersten Ende der Brennstoffzelle erfolgen. Durch diese Öffnung kann beispielsweise zunächst eine Kernleitung bis kurz vor das geschlossene zweite Ende der Brennstoffzelle führen. Aus der Kernleitung in das Innere der Brennstoffzelle strömendes Gas kann dann am geschlossenen zweiten Ende der Brennstoffzelle umgelenkt und zwischen der Kernleitung und dem Tubus in Richtung der Öffnung am ersten Ende geführt werden. Idealerweise ist hierfür das geschlossene zweite Ende wenigstens innen kuppelförmig gestaltet. So kann das Gas mit geringem Strömungswiderstand umgelenkt werden. Außerdem werden thermische Spannungen gut vertragen. Hierzu kann zusätzlich eine Ausgestaltung beitragen, bei der das geschlossene zweite Ende auch in Richtung Außenseite kuppelförmig ist. Somit sind Materialverdickungen vermeidbar, die ansonsten thermisch problematisch sein können.To be particularly advantageous, it has proven to design the tubes closed at the second end. A supply of gas into the interior of the fuel cell, in particular of fuel, can then take place through an opening at the first end of the fuel cell. Through this opening, for example, first a core line lead to just before the closed second end of the fuel cell. Gas flowing from the core conduit into the interior of the fuel cell may then be diverted at the closed second end of the fuel cell and directed between the core conduit and the tube toward the opening at the first end. Ideally, this is the closed second end at least dome-shaped inside. Thus, the gas can be deflected with low flow resistance. In addition, thermal stresses are well tolerated. For this purpose, an additional embodiment can contribute, in which the closed second end is also dome-shaped in the direction of the outside. Thus, material thickening can be avoided, which otherwise can be thermally problematic.

Um eine gleichmäßige Gasverteilung innerhalb der Brennstoffzelle zu erzielen, kann die Kernleitung ebenfalls einen Querschnitt mit einer kurzen und einer langen Achse aufweisen, wobei die Geometrie idealerweise in verkleinertem Maßstab der Zylindergrundfläche des Tubus entspricht. Die lange Achse der Kernleitung und die lange Achse der Zylindergrundfläche sollten dabei gleich ausgerichtet sein. Ebenso wie eine gute Zuführung des Gases ins Innere der Brennstoffzelle, ist die äußere Umströmung der Brennstoffzelle ein wichtiges Gestaltungselement, um eine hohe Stromerzeugungsleistung bei einer kompakten Gestaltung einer Brennstoffzellenanordnung zu erzielen. Hierfür kann vorgesehen sein, dass die Tuben derart angeordnet sind, dass zwischen diesen ausgebildete Strömungsverbindungen von einem Gaseinlass bis zu einem Gasauslass gleich lang sind und den gleichen Druckabfall aufweisen. Es bieten sich insbesondere regelmäßige und gleichmäßige Anordnungen der Brennstoffzellen an. Um möglichst viele Brennstoffzellen pro Volumen anordnen zu können, ist es günstig, wenn die Brennstoffzellen dabei versetzt zueinander positioniert werden. Durch die gleichmäßige Länge und den gleichen Druckabfall der Strömungsverbindungen können alle Brennstoffzellen gleichmäßig von Gas umströmt werden. Dementsprechend kann jede Brennstoffzelle an ihrer Leistungsgrenze betrieben werden. Zudem erwärmen sich alle Brennstoffzellen gleichermaßen, sodass die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellenanordnung nicht auf ein Maß gedrosselt werden muss, bei dem die in Hitzezentren liegenden Brennstoffzellen nicht zerstört werden. Es ergibt sich so eine hohe Stromerzeugungsleistung einer solchen Brennstoffzellenanordnung. In order to achieve a uniform gas distribution within the fuel cell, the core line can also have a cross section with a short and a long axis, the geometry ideally corresponds on a smaller scale of the cylinder base area of the tube. The long axis of the core line and the long axis of the cylinder base should be aligned the same. As well as a good supply of the gas into the interior of the fuel cell, the outer flow around the fuel cell is an important design element to achieve a high power generation performance in a compact design of a fuel cell assembly. For this purpose, provision may be made for the tubes to be arranged such that flow connections formed therebetween from a gas inlet to a gas outlet are of equal length and have the same pressure drop. In particular, regular and uniform arrangements of the fuel cells are suitable. In order to arrange as many fuel cells per volume, it is advantageous if the fuel cells are positioned offset from one another. Due to the uniform length and the same pressure drop of the flow connections, all fuel cells can be uniformly flowed around by gas. Accordingly, each fuel cell can be operated at its power limit. In addition, all fuel cells heat up equally, so that the performance of the fuel cell assembly does not have to be throttled to a level at which the lying in heat centers fuel cells are not destroyed. This results in a high power generation performance of such a fuel cell assembly.

Gut geeignet sind insbesondere Anordnungen der Brennstoffzellen, die nur kurze Strömungsverbindungen mit engen Strömungsquerschnitten aufweisen. Damit alle kürzeren Strömungsverbindungen gleichermaßen mit Gas speisbar sind, kann beispielsweise ein Hauptverteilerkanal mit größerem Querschnitt vorgesehen sein.Especially suitable are arrangements of the fuel cells which have only short flow connections with narrow flow cross sections. So that all shorter flow connections can be fed with gas in the same way, for example, a main distribution channel with a larger cross section can be provided.

Zusätzlich ist vorstellbar, dass alle Strömungsverbindungen wieder in Sammelkanälen mit größerem Strömungsquerschnitt zusammengeführt werden.In addition, it is conceivable that all flow connections are brought together again in collecting ducts with a larger flow cross-section.

Die nachstehenden Verfahrensaspekte sind nicht Gegenstand der Erfindung, sie dienen lediglich als Anregung bzw. als Erläuterung für einen Fachmann.The following method aspects are not the subject of the invention, they serve merely as a suggestion or as an explanation for a person skilled in the art.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle, wobei jede Brennstoffzelle einen hohlzylindrischen Tubus mit einer Zylindergrundfläche und auf dem Tubus aufgebrachten Funktionsschichten aufweist, die in wenigstens zwei Segmente unterteilt sind, wobei eine erste Funktionsschicht anodische Eigenschaften, eine zweite Funktionsschicht kathodische Eigenschaften und eine diese beiden Funktionsschichten trennende dritte Funktionsschicht elektrolytische Eigenschaften aufweist, wobei der Tubus quer zu einem Gasstrom ausgerichtet ist, und wobei die Zylindergrundfläche des Tubus eine lange Achse und eine senkrecht zu dieser ausgerichtete kurze Achse aufweist, wobei die kurze Achse quer zum Gasstrom ausgerichtet ist, und wobei die Segmente trennende Isolationen auf der langen Achse längs zum Tubus ausgerichtet angeordnet sind, umfassend die folgenden Schritte:

• a) Herstellen eines hohlzylindrischen Transferkörpers im CIM-Verfahren [Ceramic Injection Molding] mit einer eine lange Achse und eine senkrecht zu dieser ausgerichtete kurze Achse aufweisenden Zylindergrundfläche;
• b) Aufbringen von unterschiedlichen Materialien mit isolierenden, kathodischen, anodischen oder elektrolytischen Eigenschaften auf eine Mantelfläche des Transferkörpers im Rotationssiebdruckverfahren mit einem Drucksieb zur Herstellung der Funktionsschichten;
• c) Durchführen einer Rotationsbewegung und einer Translationsbewegung des Transferkörpers während des Rotationssiebdruckverfahrens;
• d) Ablösen des Drucksiebs am kleinsten Radius der Zylindergrundfläche des Transferkörpers;
• e) Sintern des Transferkörpers zum Tubus.

A method for producing a fuel cell, wherein each fuel cell has a hollow cylindrical tube with a cylinder base and on the tube applied functional layers, which are divided into at least two segments, wherein a first functional layer anodic properties, a second functional layer cathodic properties and these two functional layers separating third functional layer having electrolytic properties, wherein the tube is oriented transversely to a gas flow, and wherein the cylinder base surface of the tube has a long axis and a short axis oriented perpendicular thereto, the short axis being transverse to the gas flow, and the segments separating Isolations are aligned on the long axis aligned longitudinally of the tube, comprising the following steps:

• a) producing a hollow cylindrical transfer body in the CIM process [Ceramic Injection Molding] with a cylinder base surface having a long axis and a short axis aligned perpendicular thereto;
• b) application of different materials with insulating, cathodic, anodic or electrolytic properties on a lateral surface of the transfer body in the rotary screen printing process with a printing screen for the production of the functional layers;
• c) performing a rotational movement and a translational movement of the transfer body during the rotary screen printing process;
• d) detachment of the printing screen at the smallest radius of the cylinder base surface of the transfer body;
• e) sintering of the transfer body to the tube.

Dabei können zum Beispiel elektrische Anschlüsse und auch die Isolationen direkt im CIM-Verfahren umspritzt werden, sodass Sie in den Tubus integriert sind. Durch die Ausbildung der Zylindergrundfläche mit einer langen und einer kurzen Achse ändert sich der Abstand zwischen dem Drucksieb und dem Transferkörper während der Rotation des selbigen. Diese Abstandsabweichung kann durch eine translatorische Zustellbewegung ausgeglichen werden. Insbesondere kann hierfür eine Translationsbewegung des Transferkörpers durchgeführt werden. Insofern ist vorstellbar, dass auch ein nicht kreisrunder Transferkörper im Rotationssiebdruckverfahren bedruckt werden kann.In this case, for example, electrical connections and also the insulation can be encapsulated directly in the CIM process, so that they are integrated into the tube. By forming the cylinder base with a long and a short axis, the distance between the printing screen and the transfer body changes during the rotation of the same. This distance deviation can be compensated by a translational feed movement. In particular, a translational movement of the transfer body can be carried out for this purpose. In this respect, it is conceivable that even a non-circular transfer body can be printed using the rotary screen printing process.

Besonders vorteilhaft ist das Verfahren auch aufgrund des Ablösens des Drucksiebs am kleinsten Radius der Zylindergrundfläche des Transferkörpers. Je kleiner der Radius ist, desto geringer kann die Auflagefläche des Drucksiebs auf dem Transferkörper sein, sodass die Haftkräfte gering sein können. Zudem kann sich ein günstiger Schälwinkel beim Ablösen ergeben. All dies ist geeignet dazu, ein besonders schonendes Abheben des Drucksiebs zu erreichen, sodass das aufgebrachte Material nicht beschädigt wird und auch das Drucksieb nicht reißt.The method is also particularly advantageous due to the detachment of the printing screen at the smallest radius of the cylinder base area of the transfer body. The smaller the radius, the lower the contact surface of the printing screen can be on the transfer body, so that the adhesive forces can be low. In addition, a favorable peel angle when peeling can result. All this is suitable to achieve a particularly gentle lifting of the printing screen, so that the applied material is not damaged and also the printing screen does not tear.

Weiterhin können bei der Herstellung der Brennstoffzelle folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

• f) Umspritzen des Transferkörpers im Bereich eines Schnittpunkts mit der langen Achse im CIM-Verfahren mit einer tropfenspitzenförmigen Querschnittsgeometrie;
• g) Sintern der tropfenspitzenförmigen Querschnittsgeometrie.

Furthermore, the following method steps can be carried out in the production of the fuel cell:

• f) encapsulating the transfer body in the region of a point of intersection with the long axis in the CIM method with a drop-tip-shaped cross-sectional geometry;
• g) sintering the droplet tip-shaped cross-sectional geometry.

Durch diese Schritte ist auf einfache Weise ein Nachlauf-Schweif mit einem Querschnitt einer Tropfenspitze an dem Tubus fertigbar. Der Nachlauf-Schweif kann dabei auf der Isolierung auf der vom Gasstrom abgewandten Abströmseite angeordnet sein. Er verringert dann nicht einmal die Oberfläche der Funktionsschichten. Trotzdem kann der Transferkörper problemlos im Rotationssiebdruckverfahren bedruckt werden, da das Umspritzen auch erst im Anschluss an dieses durchführbar ist. Die Umspritzung kann dabei auch erst nach dem Sintern des Transferkörpers erfolgen, vorzugsweise werden jedoch der Transferkörper und die tropfenförmige Querschnittsgeometrie gemeinsam gesintert.Through these steps, a tail tail with a cross section of a drop tip on the tube can be manufactured in a simple manner. The wake tail can be arranged on the insulation on the side facing away from the gas flow downstream side. It does not even reduce the surface of the functional layers. Nevertheless, the transfer body can be easily printed in the rotary screen printing process, since the encapsulation is also feasible only after this. The encapsulation can also take place only after the sintering of the transfer body, but preferably the transfer body and the drop-shaped cross-sectional geometry are sintered together.

Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und zeigen in:The drawings illustrate embodiments of the invention and show in:

1 einen radialen Querschnitt durch eine Brennstoffzelle mit einer elliptischen Zylindergrundfläche; 1 a radial cross section through a fuel cell with an elliptical cylinder base area;

2 einen longitudinalen Querschnitt durch eine Brennstoffzelle; 2 a longitudinal cross section through a fuel cell;

3 einen radialen Querschnitt durch eine Brennstoffzelle mit einer elliptischen Zylindergrundfläche und einem tropfenförmigen Nachlauf-Schweif; 3 a radial cross section through a fuel cell with an elliptical cylinder base and a drop-shaped trailing tail;

4 eine Brennstoffzellenanordnung; und 4 a fuel cell assembly; and

5 eine schematische Darstellung eines Rotationssiebdruckverfahrens. 5 a schematic representation of a rotary screen printing process.

1 zeigt einen radialen Querschnitt durch eine Brennstoffzelle 1. Diese hat einen hohlzylindrischen Tubus 10 mit einer elliptischen Zylindergrundfläche 13 und auf dem Tubus 10 aufgebrachte Funktionsschichten 21, 22, 23. Letztere sind durch Isolationen 31, 32 in zwei Segmente 41, 42 unterteilt. Dabei hat eine erste Funktionsschicht 21 anodische Eigenschaften und ist direkt auf dem Tubus 10 angeordnet. Eine zweite Funktionsschicht 22 hat kathodische Eigenschaften und eine diese beiden Funktionsschichten 21, 22 trennende dritte Funktionsschicht 23 weist elektrolytische Eigenschaften auf. Dabei ist der Tubus 10 quer zu einem Gasstrom G ausgerichtet. 1 shows a radial cross section through a fuel cell 1 , This has a hollow cylindrical tube 10 with an elliptical cylinder base 13 and on the tube 10 applied functional layers 21 . 22 . 23 , The latter are due to isolation 31 . 32 in two segments 41 . 42 divided. It has a first functional layer 21 Anodic properties and is directly on the tube 10 arranged. A second functional layer 22 has cathodic properties and one of these two functional layers 21 . 22 separating third functional layer 23 has electrolytic properties. Here is the tube 10 aligned transversely to a gas flow G.

Die elliptische Zylindergrundfläche 13 des Tubus 10 hat eine lange Achse 14 und eine senkrecht zu dieser ausgerichtete kurze Achse 15, wobei die lange Achse 14 in etwa zweimal so lang ist wie die kurze Achse 15. Außerdem ist die kurze Achse 15 quer zum Gasstrom G ausgerichtet, sodass der Strömungswiderstand der Brennstoffzelle 1 für den Gasstrom G gering ist. Die zum Gasstrom G gewandte Seite der Brennstoffzelle 1 bildet eine Anströmseite 151 und die gegenüberliegende und vom Gasstrom G abgewandte Seite eine Abströmseite 152 aus. Weiterhin sind die Isolationen 31, 32 auf der langen Achse 14 längs zum Tubus 10 angeordnet, insbesondere eine erste Isolation 31 auf der Anströmseite 151 und eine zweite Isolation 32 auf der Abströmseite 152. Die Isolationen 31, 32 wurden durch Umspritzen im CIM-Verfahren in den Tubus 10 integriert.The elliptic cylinder base 13 of the tube 10 has a long axis 14 and a short axis aligned perpendicular thereto 15 , where the long axis 14 about twice as long as the short axis 15 , Besides, the short axis is 15 aligned transversely to the gas flow G, so that the flow resistance of the fuel cell 1 for the gas flow G is low. The side facing the gas flow G side of the fuel cell 1 forms an inflow side 151 and the opposite and the gas flow G side facing away from a downstream side 152 out. Furthermore, the isolations 31 . 32 on the long axis 14 along the tube 10 arranged, in particular a first insulation 31 on the upstream side 151 and a second isolation 32 on the downstream side 152 , The isolations 31 . 32 were by encapsulation in the CIM procedure in the tube 10 integrated.

Letztlich ist im Zentrum der Zylindergrundfläche 13 eine Kernleitung 60 erkennbar. Diese ist in vorliegendem Beispiel mittig angeordnet. Durch diese Kernleitung 60 erfolgt eine Zufuhr von Gas, insbesondere von Brennstoff, in das Innere der Brennstoffzelle 1. Um eine gleichmäßige Gasverteilung innerhalb der Brennstoffzelle 1 zu erzielen, hat die Kernleitung 60 ebenfalls einen elliptischen Querschnitt. Insbesondere entspricht die Geometrie des Querschnitts in verkleinertem Maßstab der Zylindergrundfläche 13 des Tubus 10. Die lange Achse der Kernleitung 60 und die lange Achse 14 des Tubus 10 sind dabei in die gleiche Richtung gerichtet.Ultimately, it is in the center of the cylinder base area 13 a core line 60 recognizable. This is arranged centrally in the present example. Through this core line 60 a supply of gas, in particular of fuel, takes place in the interior of the fuel cell 1 , For a uniform gas distribution within the fuel cell 1 to achieve, has the core line 60 also an elliptical cross-section. In particular, the geometry of the cross section on a reduced scale corresponds to the cylinder base area 13 of the tube 10 , The long axis of the core line 60 and the long axis 14 of the tube 10 are directed in the same direction.

Der in 2 dargestellte longitudinalen Querschnitt durch eine Brennstoffzelle 1 zeigt einen hohlzylindrischen Tubus 10. Die Brennstoffzelle 1 weist an einem ersten Ende 11 eine Öffnung 16 auf und ist am zweiten Ende 12 geschlossen ausgebildet. Dabei hat das geschlossene zweite Ende 12 eine Kuppelform. Durch eine im Zentrum des Tubus 10 angeordnete und axial in gleicher Richtung wie der Tubus 10 ausgerichtete Kernleitung 60 kann ein Gas, insbesondere ein Brennstoff, in das Innere der Brennstoffzelle 1 eingeleitet werden. Die Kernleitung 60 endet kurz vor dem geschlossenen zweiten Ende 12 des Tubus 10, sodass hier ausströmendes Gas an der kuppelförmigen Innenseite des geschlossenen zweiten Endes 12 umgelenkt wird. Anschließend strömt das Gas zwischen der Kernleitung 60 und dem Tubus 10 zurück in Richtung der Öffnung 16 am ersten Ende 11.The in 2 illustrated longitudinal cross section through a fuel cell 1 shows a hollow cylindrical tube 10 , The fuel cell 1 indicates at a first end 11 an opening 16 up and is at the second end 12 closed trained. It has the closed second end 12 a dome shape. Through one in the center of the tube 10 arranged and axially in the same direction as the tube 10 aligned core line 60 a gas, in particular a fuel, in the interior of the fuel cell 1 be initiated. The core line 60 ends just before the closed second end 12 of the tube 10 , so that gas flowing out here on the dome-shaped inner side of the closed second end 12 is diverted. Subsequently, the gas flows between the core line 60 and the tube 10 back towards the opening 16 at the first end 11 ,

Auf der Außenseite wird die Brennstoffzelle 1 von einem Gasstrom G umströmt, welcher quer zu deren Längsachse L ausgerichtet ist. Wie anhand der Strömungsrichtung des Gasstroms G erkennbar ist, liegt der Querschnitt der Abbildung parallel zu einer langen Achse 14 des Tubus 10. Der Gasstrom G trifft folglich quer zu einer senkrecht zu der langen Achse 14 angeordneten kurzen Achse einer Zylindergrundfläche des Tubus 10 auf die Brennstoffzelle 1. Dabei bildet die dem Gasstrom G zugewandte Seite des Tubus 10 eine Anströmseite 151 und die dem Gasstrom G abgewandte Seite des Tubus eine Abströmseite 152 aus.On the outside is the fuel cell 1 flows around a gas flow G, which is aligned transversely to its longitudinal axis L. As can be seen from the flow direction of the gas flow G, the cross-section of the image is parallel to a long axis 14 of the tube 10 , The gas flow G thus hits transverse to a direction perpendicular to the long axis 14 arranged short axis of a cylinder base of the tube 10 on the fuel cell 1 , In this case, the gas stream G facing side of the tube forms 10 an inflow side 151 and the gas flow G remote from the side of the tube a downstream side 152 out.

Am ersten Ende 11 sind neben der Öffnung 16 und der durch die Öffnung führenden Kernleitung 60 auch elektrische Leiter 50 vorgesehen. Diese stellen eine elektrische Verbindung zu anodischen und kathodischen Funktionsschichten her, welche auf dem Tubus 10 angeordnet sind. Vorzugsweise sind diese elektrischen Leiter 50 am Umfang des Tubus 10 verteilt angeordnet und üben eine Vorspannkraft in Richtung des Zentrums des Tubus 10 und auf letzteren aus. Somit ist ein elektrischer Kontakt zwischen den elektrischen Leitern 50 und den Funktionsschichten auch bei thermischen Verformungen des Tubus 10 oder anderer Teile vorhanden. Gleichzeitig können die elektrischen Leiter 50 durch einen Hinterschnitt eine Klemmhalterung für die Brennstoffzelle 1 ausbilden. Dies vereinfacht die Montage erheblich und reduziert die Kosten für ansonsten notwendige zusätzliche Halterungen. At the first end 11 are next to the opening 16 and the core conduit through the opening 60 also electrical conductors 50 intended. These provide an electrical connection to anodic and cathodic functional layers which are on the tube 10 are arranged. Preferably, these are electrical conductors 50 on the circumference of the tube 10 arranged distributed and exert a biasing force in the direction of the center of the tube 10 and on the latter. Thus, there is an electrical contact between the electrical conductors 50 and the functional layers even with thermal deformation of the tube 10 or other parts available. At the same time, the electrical conductors 50 by an undercut a clamping bracket for the fuel cell 1 form. This greatly simplifies the assembly and reduces the cost of otherwise necessary additional brackets.

Die gesamte Brennstoffzelle 1 hat bis auf die Bereiche der elektrischen Anschlüsse für die elektrischen Leiter 50 eine homogene Materialstärke, sodass nur geringe thermische Spannungen auftreten.The entire fuel cell 1 has down to the areas of electrical connections for the electrical conductors 50 a homogeneous material thickness, so that only small thermal stresses occur.

3 zeigt einen radialen Querschnitt durch eine Brennstoffzelle 1 mit einem tropfenförmigen Nachlauf-Schweif 153. Die Brennstoffzelle 1 hat einen hohlzylindrischen Tubus 10 mit einer elliptischen Zylindergrundfläche 13 und auf dem Tubus 10 aufgebrachte Funktionsschichten. Letztere sind durch Isolationen 31, 32 in zwei Segmente 41, 42 unterteilt. Dabei hat die elliptische Zylindergrundfläche 13 des Tubus 10 eine lange Achse 14 und eine kurze Achse 15. Die lange Achse 14 ist in etwa dreimal so lang wie die kurze Achse 15. Außerdem ist die kurze Achse 15 quer zu einem Gasstrom G ausgerichtet, sodass der Strömungswiderstand der Brennstoffzelle 1 für den Gasstrom G gering ist. Die zum Gasstrom G gewandte Seite der Brennstoffzelle 1 bildet eine Anströmseite 151 und die vom Gasstrom G abgewandte Seite eine Abströmseite 152 aus. 3 shows a radial cross section through a fuel cell 1 with a teardrop tail tail 153 , The fuel cell 1 has a hollow cylindrical tube 10 with an elliptical cylinder base 13 and on the tube 10 applied functional layers. The latter are due to isolation 31 . 32 in two segments 41 . 42 divided. It has the elliptical cylinder base 13 of the tube 10 a long axis 14 and a short axis 15 , The long axis 14 is about three times as long as the short axis 15 , Besides, the short axis is 15 aligned transversely to a gas flow G, so that the flow resistance of the fuel cell 1 for the gas flow G is low. The side facing the gas flow G side of the fuel cell 1 forms an inflow side 151 and the side facing away from the gas flow G side, a downstream side 152 out.

Man erkennt, dass die Isolationen 31, 32 auf der langen Achse 14 des Tubus 10 längs, d. h. longitudinal, zu diesem ausgerichtet angeordnet sind, insbesondere eine erste Isolation 31 auf der Anströmseite 151 und eine zweite Isolation 32 auf der Abströmseite 152. Auf dieser Abströmseite 153 ist weiterhin der Nachlauf-Schweif 152 angeordnet, welcher einen tropfenspitzenförmigen Querschnitt hat. Ein solcher Nachlauf-Schweif 152 ist durch ein nachträgliches Umspritzen des Tubus 10 auf der Abströmseite 152 im CIM-Verfahren mit einer tropfenspitzenförmigen Querschnittsgeometrie 153a herstellbar. Dies kann jedoch auch in einem früheren Fertigungsschritt durchgeführt werden, wenn der Tubus 10 noch ein ungesinterter Rohling ist. Dieser Rohling wird auch Transferkörper genannt, welcher eine kurze Achse 15a hat. Anschließend wird die tropfenspitzenförmige Querschnittsgeometrie 153a zur Härtung gesintert, wodurch der Nachlauf-Schweif 153 mit seiner endgültigen Form und Festigkeit entsteht.It can be seen that the isolations 31 . 32 on the long axis 14 of the tube 10 along, ie longitudinally aligned, aligned therewith, in particular a first insulation 31 on the upstream side 151 and a second isolation 32 on the downstream side 152 , On this downstream side 153 is still the tail tail 152 arranged, which has a drop-shaped cross-section. Such a tail tail 152 is by a subsequent encapsulation of the tube 10 on the downstream side 152 in the CIM process with a drop-shaped cross-sectional geometry 153a produced. However, this can also be done in an earlier manufacturing step, when the tube 10 is still a green blank. This blank is also called transfer body, which has a short axis 15a Has. Subsequently, the droplet tip-shaped cross-sectional geometry 153a sintered for hardening, eliminating the tail tail 153 with its final shape and strength arises.

Letztlich ist mittig im Zentrum der Zylindergrundfläche 13 eine Kernleitung 60 im Querschnitt erkennbar. Durch diese Kernleitung 60 erfolgt eine Zufuhr von Gas, insbesondere von Brennstoff, in das Innere der Brennstoffzelle 1. Wie erkennbar ist, hat die Kernleitung 60 einen einfachen kreisrunden Querschnitt. 4 zeigt eine besonders vorteilhafte Brennstoffzellenanordnung 100 bestehend aus einer Vielzahl an Brennstoffzellen 1, welche alle mit ihrem ersten Ende in einer Ebene E angeordnet sind, in die gleiche Richtung der Ebene E zeigen und parallel zueinander sind. Jede dieser Brennstoffzellen 1 hat einen hohlzylindrischen Tubus 10 mit einer elliptischen Zylindergrundfläche mit einer langen und einer kurzen Achse.Ultimately, it is centered in the center of the cylinder base area 13 a core line 60 recognizable in cross section. Through this core line 60 a supply of gas, in particular of fuel, takes place in the interior of the fuel cell 1 , As can be seen, the core line has 60 a simple circular cross-section. 4 shows a particularly advantageous fuel cell assembly 100 consisting of a large number of fuel cells 1 which are all arranged with their first end in a plane E, point in the same direction of the plane E and are parallel to each other. Each of these fuel cells 1 has a hollow cylindrical tube 10 with an elliptic cylinder base with one long and one short axis.

Ausgehend von einem Gaseinlass 101 strömt ein Gasstrom G in einen Hauptverteilerkanal 103, der einen relativ großen Strömungsquerschnitt aufweist. Relativ zu diesem Hauptverteilerkanal 103 sind zu beiden Seiten Brennstoffzellen 1 angeordnet. Insbesondere sind deren lange Achsen schräg zum Hauptverteilerkanal 103 angeordnet, sodass von dem Hauptverteilerkanal 103 abzweigende Gasströme G nur eine kleine Richtungsänderung erfahren. Die zur Linken des Hauptverteilerkanals 103 liegenden Brennstoffzellen 1 haben alle eine gleichgerichtete Ausrichtung der langen Achsen. Gleiches gilt für die zur Rechten des Hauptverteilerkanals 103 angeordneten Brennstoffzellen 1. Zu beiden Seiten des Hauptverteilerkanals 103 befinden sich nur zwei Reihen Brennstoffzellen 1, wobei die erste Reihe versetzt zur zweiten Reihe angeordnet ist. Insbesondere beträgt der Versatz in etwa eine halbe Länge der kurzen Achse der elliptischen Zylindergrundfläche. Insgesamt ergeben sich so vier Reihen mit Brennstoffzellen 1. Zwischen diesen Brennstoffzellen 1 hindurchströmendes Gas G wird schließlich in einem ersten und zweiten Sammelkanal 104, 105 wieder zusammengeführt und zu Gasauslässen 102 geleitet. Auch die Sammelkanäle 104, 105 haben einen größeren Querschnitt, der geeignet ist, eine größere Menge Gas G leiten zu können. Die Sammelkanäle 104, 105 und die Gasauslässe 102 bilden dabei eine Strömungsrichtung aus, die derjenigen des Gaseinlasses 101 entspricht. So ist auch die Richtungsänderung eines Gasstroms G, der in einen der Sammelkanäle 104, 105 eingeleitet wird, gering.Starting from a gas inlet 101 a gas stream G flows into a main distribution channel 103 which has a relatively large flow area. Relative to this main distribution channel 103 are fuel cells on both sides 1 arranged. In particular, their long axes are oblique to the main distribution channel 103 arranged so that from the main distribution channel 103 branching gas flows G experience only a small change in direction. The to the left of the main distribution channel 103 lying fuel cells 1 all have a rectified orientation of the long axes. The same applies to the right of the main distribution channel 103 arranged fuel cells 1 , On both sides of the main distribution channel 103 there are only two rows of fuel cells 1 wherein the first row is offset from the second row. In particular, the offset is approximately half the length of the short axis of the elliptical cylinder base surface. Overall, this results in four rows of fuel cells 1 , Between these fuel cells 1 passing gas G eventually becomes in a first and second collecting channel 104 . 105 merged again and to gas outlets 102 directed. Also the collection channels 104 . 105 have a larger cross section, which is suitable to be able to conduct a larger amount of gas G. The collection channels 104 . 105 and the gas outlets 102 form a flow direction, that of the gas inlet 101 equivalent. So is the change in direction of a gas flow G, which is in one of the collection channels 104 . 105 is initiated, low.

Die Abstände zwischen den Brennstoffzellen 1 und somit der Strömungsquerschnitt zwischen diesen ist sehr viel kleiner als der des Hauptverteilerkanals 103 oder derjenige der Sammelkanäle 104, 105. Insbesondere ist er auch zwischen allen Brennstoffzellen 1 gleichmäßig. Somit wird jede Brennstoffzelle 1 annährend gleich vom Gasstrom G umströmt, da der Druckabfall in jeder Strömungsverbindung V gleich groß ist. Da nur zwei Reihen Brennstoffzellen 1 zwischen dem Hauptverteilerkanal 103 und den Sammelleitungen 104, 105 angeordnet sind, werden die Brennstoffzellen 1 mit nahezu gleichbleibender Sauerstoffkonzentration des Gasstroms G umströmt, wodurch die Verbrennung an jeder Brennstoffzelle 1 gleich gut ist. Dabei sind nicht nur die Strömungsverbindungen V zwischen den Brennstoffzellen 1, sondern die gesamten Strömungsverbindungen V vom Gaseinlass 101 bis zum Gasauslass 102 gleich lang und weisen den gleichen Druckabfall auf.The distances between the fuel cells 1 and thus the flow area between them is much smaller than that of the main distribution channel 103 or the one of the collection channels 104 . 105 , In particular, it is also between all fuel cells 1 evenly. Thus, every fuel cell becomes 1 flows approximately equal to the gas flow G, since the pressure drop in each flow connection V is equal. Because only two rows of fuel cells 1 between the main distribution channel 103 and the manifolds 104 . 105 are arranged, the fuel cells 1 flows around with almost constant oxygen concentration of the gas stream G, whereby the combustion of each fuel cell 1 the same is good. Not only are the flow connections V between the fuel cells 1 but the entire flow connections V from the gas inlet 101 to the gas outlet 102 the same length and have the same pressure drop.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines Rotationssiebdruckverfahrens. Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle erfolgt zunächst eine Herstellung eines hohlzylindrischen Transferkörpers 10a im CIM-Verfahren mit einer Zylindergrundfläche 13a, welche eine lange Achse 14a und eine senkrecht zu dieser ausgerichtete kurze Achse 15a aufweist. Anschließend werden unterschiedliche Materialien mit isolierenden, kathodischen, anodischen oder elektrolytischen Eigenschaften auf eine Mantelfläche des Transferkörpers 10a im Rotationssiebdruckverfahren aufgebracht. Hierfür liegt ein Drucksieb 200 auf dem Transferkörper 10a und die Materialien werden durch das Sieb hindurch auf den Transferkörper 10a aufgebracht und mit einer Rakel 201 abgestrichen. Dabei führt der Transferkörper 10a eine Rotationsbewegung R durch, um das Material über seinen Umfang zu verteilen. Gleichzeitig führt der Transferkörper 10a eine Translationsbewegung T durch, um die Zustellung zwischen sich und dem Drucksieb 200 konstant zu halten. Besonders vorteilhaft ist ein Ablösen des Drucksiebs 200 im Bereich des kleinsten Radius der Zylindergrundfläche 13a des Transferkörpers 10a. Der kleinste Radius ist bei der dargestellten elliptischen Zylindergrundfläche 13a an deren Schnittpunkt mit der langen Achse 14. An dieser Position liegt das Drucksieb 200 nur auf einer kleinen Oberfläche auf und kann in einem günstigen Schälwinkel abgelöst werden. 5 shows a schematic representation of a rotary screen printing process. In a method for producing a fuel cell, a production of a hollow cylindrical transfer body takes place first 10a in the CIM process with a cylinder base area 13a , which is a long axis 14a and a short axis aligned perpendicular thereto 15a having. Subsequently, different materials with insulating, cathodic, anodic or electrolytic properties on a lateral surface of the transfer body 10a Applied in rotary screen printing. For this lies a printing screen 200 on the transfer body 10a and the materials are passed through the screen onto the transfer body 10a applied and with a squeegee 201 swabbed. This leads the transfer body 10a a rotational movement R through to distribute the material over its circumference. At the same time the transfer body leads 10a a translational movement T through to the delivery between itself and the printing screen 200 to keep constant. Particularly advantageous is a detachment of the printing screen 200 in the area of the smallest radius of the cylinder base area 13a of the transfer body 10a , The smallest radius is in the illustrated elliptical cylinder base area 13a at their intersection with the long axis 14 , At this position is the printing screen 200 only on a small surface and can be replaced in a favorable peel angle.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Brennstoffzellefuel cell

1010

Tubustube

10a10a

Transferkörpertransfer body

1111

erstes Endefirst end

1212

zweites Endesecond end

1313

ZylindergrundflächeCylinder base area

13a13a

ZylindergrundflächeCylinder base area

1414

lange Achselong axis

14a14a

lange Achselong axis

1515

kurze Achseshort axis

15a15a

kurze Achseshort axis

151151

Anströmseiteinflow

152152

Abströmseiteoutflow

153153

Nachlauf-SchweifTrailing tail

153a153a

tropfenspitzenförmige Querschnittsgeometriedrop-shaped cross-sectional geometry

1616

Öffnungopening

2121

eine erste Funktionsschichta first functional layer

2222

zweite Funktionsschichtsecond functional layer

2323

dritte Funktionsschichtthird functional layer

3131

erste Isolationfirst isolation

3232

zweite Isolationsecond isolation

4141

erstes Segmentfirst segment

4242

zweites Segmentsecond segment

5050

elektrische Leiterelectrical conductors

6060

Kernleitungcore line

100100

BrennstoffzellenanordnungA fuel cell assembly

101101

Gaseinlassgas inlet

102102

Gasauslassgas outlet

103103

HauptverteilerkanalMain distribution channel

104104

erster Sammelkanalfirst collection channel

105105

zweiter Sammelkanalsecond collection channel

200200

Drucksiebprinting screen

201201

Rakeldoctor

Ee

Ebenelevel

GG

Gasstromgas flow

LL

Längsachselongitudinal axis

RR

Rotationsbewegungrotational motion

TT

Translationsbewegungtranslational motion

VV

Strömungsverbindungflow connection

Claims (3)

Brennstoffzelle (1) mit einem hohlzylindrischen Tubus (10) mit einer Zylindergrundfläche (13) und auf dem Tubus (10) aufgebrachten Funktionsschichten (21, 22, 23), die in wenigstens zwei Segmente (41, 42) unterteilt sind, wobei eine erste Funktionsschicht (21) anodische Eigenschaften, eine zweite Funktionsschicht (22) kathodische Eigenschaften und eine diese beiden Funktionsschichten (21, 22) trennende dritte Funktionsschicht (23) elektrolytische Eigenschaften aufweist, und wobei der Tubus (10), dessen Zylindergrundfläche (13) eine lange Achse (14) und eine senkrecht zu dieser ausgerichtete kurze Achse (15) aufweist, die kurze Achse (15) quer zum Gasstrom (G) ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (41, 42) trennende Isolationen (31, 32) auf der langen Achse (14), längs zum Tubus (10) ausgerichtet, angeordnet sind und auf der dem Gasstrom (G) abgewandten Abströmseite (152) des Tubus (10) ein Nachlauf-Schweif (153) mit einem Querschnitt einer Tropfenspitze angeordnet ist.Fuel cell ( 1 ) with a hollow cylindrical tube ( 10 ) with a cylinder base area ( 13 ) and on the tube ( 10 ) applied functional layers ( 21 . 22 . 23 ), which are divided into at least two segments ( 41 . 42 ), wherein a first functional layer ( 21 ) anodic properties, a second functional layer ( 22 ) cathodic properties and one of these two functional layers ( 21 . 22 ) separating third functional layer ( 23 ) has electrolytic properties, and wherein the tube ( 10 ), whose cylinder base area ( 13 ) a long axis ( 14 ) and a perpendicular to this aligned short axis ( 15 ), the short axis ( 15 ) is oriented transversely to the gas flow (G), characterized in that the segments ( 41 . 42 ) separating isolations ( 31 . 32 ) on the long axis ( 14 ), along the tube ( 10 ), are arranged and on the gas flow (G) facing away from the downstream side ( 152 ) of the tube ( 10 ) a tail tail ( 153 ) is arranged with a cross section of a drop tip. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lange Achse (14) der Zylindergrundfläche (13) des Tubus (10) zweimal bis sechsmal so lang ist wie die kurze Achse (15).Fuel cell ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the long axis ( 14 ) of the cylinder base area ( 13 ) of the tube ( 10 ) is twice to six times as long as the short axis ( 15 ). Brennstoffzellenanordnung (100) aufweisend wenigsten vier Brennstoffzellen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Tuben (10) der Brennstoffzellen (1) ein erstes Ende (11) und ein zweites Ende (12) aufweisen, und wobei die Tuben (10) mit dem ersten Ende (11) in einer Ebene (E) angeordnet sind und die zweiten Enden (12) der Tuben (10) auf der gleichen Seite der Ebene (E) liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Tuben (10) derart angeordnet sind, dass zwischen diesen ausgebildete Strömungsverbindungen (V) von einem Gaseinlass (101) bis zu einem Gasauslass (102) gleich lang sind und den gleichen Druckabfall aufweisen.Fuel cell assembly ( 100 ) comprising at least four fuel cells ( 1 ) according to one of claims 1 to 2, wherein the tubes ( 10 ) of the fuel cells ( 1 ) a first end ( 11 ) and a second end ( 12 ), and wherein the tubes ( 10 ) with the first end ( 11 ) are arranged in a plane (E) and the second ends ( 12 ) of the tubes ( 10 ) on lying on the same side of the plane (E), characterized in that the tubes ( 10 ) are arranged such that between these formed flow connections (V) from a gas inlet ( 101 ) to a gas outlet ( 102 ) are the same length and have the same pressure drop.

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