DE112004002358T5

DE112004002358T5 - Feststoffoxid-Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112004002358T5
Application number: DE112004002358T
Authority: DE
Inventors: Fuminori Yokohama Satou; Yasushi Kawasaki Nakajima
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: US7632594B2; JP4682511B2; JP2005166423A; CA2547813C; WO2005055350A1; CA2547813A1; US20070111067A1; DE112004002358B4

Abstract

Feststoffoxid-Brennstoffzelle, bei welcher vorgesehen sind:
mehrere Elemente zur Erzeugung elektrischen Stroms, die in einer Stapelrichtung gestapelt sind, und jeweils einen Feststoffoxid-Elektrolyten und einen porösen Elektrodenabschnitt aufweisen, welchem Gase zugeführt werden;
mehrere erste Stromsammelschichten, die an die Elektrodenabschnitte angeschlossen sind, die porös sind;
zumindest ein Separator, der zwischen zumindest einem Paar benachbarter unter den mehreren Elementen zur Erzeugung elektrischen Stroms angeordnet ist, um das zumindest eine Paar benachbarter Elemente mit einem anderen zu verbinden, so dass die mehreren Elemente zur Erzeugung elektrischen Stroms elektrisch in Stapelrichtung verbunden sind;
ein Gaszufuhrflusskanal, der zwischen dem zumindest einen Separator und einer der mehreren ersten zugeordneten Stromsammelschichten vorgesehen ist;
mehrere Gaszufuhrabzweigflusskanäle, die von dem Gaszufuhrflusskanal abzweigen, und den Elektrodenabschnitt des zugehörigen der mehreren Elemente zur Erzeugung elektrischen Stroms erreichen; und
mehrere Gasablassflusskanäle, die es ermöglichen, einen Gasrest, der dem zugehörigen unter den mehreren Elementen zur Erzeugung elektrischen Stroms...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Feststoffoxid-Brennstoffzellen, und spezieller eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle, mit welcher versucht wird, innere Wärmespannungen auszugleichen.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Allgemein gesprochen, ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemisches Gerät, in welchem eine elektrochemische Reaktion stattfindet, zwischen Brenngas, beispielsweise einem wasserstoffhaltigen Gas, und einem Oxidationsmittelgas, beispielsweise Luft, die Sauerstoff enthält, in einer Elektrolytschicht, um direkt elektrische Energie abzuziehen. Abhängig von der Art des Elektrolyten wird die Brennstoffzelle typischerweise bezeichnet als Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC), Feststoffoxid-Brennstoffzelle (SOFC), oder als Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC).
Unter diesen wird aus verschiedenen Gründen, beispielsweise infolge der einfachen Handhabung, da der Einsatz eines Elektrolyten, der aus einem Feststoffoxid mit Sauerstoffionenleitfähigkeit besteht, eingesetzt wird, infolge eines hohen Erzeugungswirkungsgrades für elektrische Energie, in Bezug auf Abwärme bei hohen Temperaturen und Brenngas, die über einen weiten Bereich verfügbar sind, von der Feststoffoxid-Brennstoffzelle erwartet, dass sie bei Stromversorgungen für sich bewegende Gegenstände und vor Ort befindlichen Systemen zur gleichzeitigen Erzeugung von zwei nutzbaren Energiearten eingesetzt wird.
Eine derartige Feststoffoxid-Brennstoffzelle wird auf den Typ mit einem zylinderförmigen Aufbau und den Typ mit einem flachen Aufbau bezüglich der konstruktiven Merkmale unterteilt. Der Typ des zylindrischen Aufbaus weist einen zylindrischen Elektrolyten auf, dessen innere und äußere Oberfläche jeweils mit einer Elektrode versehen sind. Der Typs mit flachem Aufbau weist einen rechteckigen oder kreisförmigen, flachen Elektrolyten auf, dessen beide Oberflächen mit Elektroden versehen sind, und der ein höheren Potential als der Typ mit zylindrischem Aufbau in Bezug auf die Fähigkeit aufweist, eine Anordnung mit hoher Energiedichte auszubilden.
Weiterhin sind bei einer derartigen Brennstoffzelle mit flacher Konstruktion flache Erzeugungselemente für elektrische Energie, die jeweils eine Elektrolytschicht aufweisen, bei welcher beide Oberflächen mit einer Brennstoffelektrolytschicht und einer Luftelektrolytschicht zusammenlaminiert sind, und Separatoren, die als Verbindungselemente dienen, bei denen jeweils eine Oberfläche mit Brenngasflusskanälen und die andere Oberfläche mit Luftflusskanälen versehen ist, abwechselnd aufeinander gestapelt, wobei eine Stapelkonstruktion mit einer hohen Belastung in Stapelrichtung eingesetzt wird, um Auswirkungen in Bezug auf eine Gasabdichtung und elektrische Verbindungen sicherzustellen.
Weiterhin wurden bislang Vorschläge gemacht, eine Elektrolythalterungsartkonstruktion zur Verfügung zu stellen, bei welcher bei der Ausbildung der Elektrolytschicht in einer Dünnfilmanordnung zur Verringerung des elektrischen Widerstands entweder eine poröse Brennstoffelektrode oder eine poröse Luftelektrode als Halterungskörper eingesetzt wird, auf welchem eine Elektrolytschicht und die andere Elektrodenschicht ausgebildet werden.
Bei der Brennstoffzelle wird chemische Energie, die von der Oxidation von Brenngas herrührt, als elektrische Energie abgezogen, und die übrige Energie wird als Wärme verbraucht. Beispielsweise tritt Joul'sche Wärme infolge des Innenwiderstands der Zelle auf, der aufgrund des Flusses des Stroms auftritt, der in einer Zelle zur Einheit elektrischer Energie hervorgerufen wird. Da diese erzeugte Wärme proportional zur Stromdichte bei jeweiligen Orten auftritt, führt das Vorhandensein eines Ungleichgewichtes der Stromdichte auf einer Oberfläche zur Erzeugung elektrischer Energie zu einem Ungleichgewicht bezüglich der Temperatur auf der Oberfläche zur Erzeugung elektrischer Energie.
Wenn die Feststoffoxid-Brennstoffzelle eine Zelle zur Erzeugung elektrischer Energie ist, die aus Keramik besteht, ist die Wärmeleitfähigkeit gering, was dazu führt, dass Schwierigkeiten in Bezug auf die Temperaturdifferenz in der Ebene in der Zelle zur Erzeugung elektrischer Energie auftreten. Weiterhin führt der Einsatz von Separatoren, die aus Keramik bestehen, dazu, dass sämtliche Bauteile aus Keramik ausgebildet sind, was zu einer weiteren Erhöhung der Temperaturdifferenz in der Ebene führt. Daher werden Brenngas und Oxidationsmittelgas geeignete Maßnahmen zum Kühlen der Zelle zur Erzeugung elektrischer Energie, bei welcher ein Wärmeanstieg infolge der Erzeugung elektrischer Energie auftritt. Hierbei nimmt Oxidationsmittelgas mit einer hohen Flussrate die Vorreiterrolle ein.
Weiterhin nimmt in Bezug auf die Eigenschaften der Feststoffoxid-Brennstoffzelle das Ausmaß der Sauerstoffionenbewegung in Bereichen mit hohen Temperaturen zu, was zu einer Verringerung des inneren Widerstands führt, so dass ein Brenngaseinlassabschnitt, der ursprünglich eine hohe Stromdichte aufwies, eine weiter erhöhte Stromdichte aufnimmt, was dazu führt, dass eine weitere Erhöhung der Temperaturdifferenz in der Ebene der Zelle zur Erzeugung elektrischer Energie hervorgerufen wird. Dies führt zu einem Temperaturabfall des Oxidationsmittelgas-Flusseinlassabschnitts, so dass der Brenngaseinlassabschnitt ein Verteilungsmuster mit erhöhten Temperaturen aufweist, so dass Spannungen infolge von Wärmebeanspruchungen auftreten.

Die japanische Veröffentlichung der Anmeldung Nr. 2002-203579 (siehe Seite 9 und 1) beschreibt eine Brennstoffzelle, die einen Aufbau aufweist, bei welchem als Gegenmaßnahme zum Verhindern einer Konzentrationsverteilung und einer Temperaturdifferenz in Gasen, die zum Auftreten einer Temperaturdifferenz in einer Oberfläche zur Erzeugung elektrischer Energie führen, Gas vorgeheizt wird, und von mehreren Ausblasöffnungen zu einer Zelle hin abgegeben wird.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Aufgrund von Untersuchungen, die von den vorliegenden Erfindern durchgeführt wurden, neigt die Brennstoffzelle mit einer derartigen Konstruktion dazu, dass Schwierigkeiten auftreten, wenn infolge des Vorhandenseins von Gas, das vorgeheizt wird, nämlich eine Schwierigkeit in Bezug auf die Erzeugung einer Temperaturverteilung mittels Kühlung unter Verwendung des abgegebenen Gases. Andererseits gelangt das gesamte, abgegebene Gas über eine Oberfläche der Zelle, und wird zu deren Außenumfang abgegeben. Gas, das in der Nähe eines zentralen Bereiches der Zelle abgegeben wird, und eine Reaktion bei der Zelle hervorruft, führt daher zu einer Mischung mit Gas, das in dem äußeren Umfangsbereich abgegeben wird.

Insbesondere ist es selbst bei der Brennstoffzelle mit einer derartigen Konstruktion immer noch möglich, dass Gas eine hohe Konzentration im zentralen Bereich und eine niedrige Konzentration im Außenumfangsbereich aufweist, mit entsprechendem Auftreten einer Wärmespannungsverteilung auf der Oberfläche. Insbesondere sind bei Verwendung eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs, beispielsweise Methan und Dimethylether, einige [Mol] an Gas, das reagiert hat, auf der Brennstoffelektrode vorhanden, in Bezug auf ein [Mol] des Brennstoffs, und daher tritt ein weiter erhöhter Gaskonzentrationsgradient auf, mit der Neigung zu einer weiteren Erhöhung der Wärmespannungsverteilung, die in der Oberfläche zur Erzeugung elektrischer Energie hervorgerufen wird.

Die vorliegende Erfindung wurde nach Durchführung der voranstehend geschilderten Untersuchungen durch die vorliegenden Erfinder fertig gestellt, und weist speziell den Vorteil auf, eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, die versucht, innere Wärmespannungen auszugleichen.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle auf: mehrere Elemente zur Erzeugung elektrischer Energie, die in Stapelrichtung gestapelt sind, und jeweils einen Feststoffoxidelektrolyten und einen porösen Elektrodenabschnitt aufweisen, welchen Gase zugeführt werden; mehrere erste Stromsammelschichten, die an die jeweiligen Elektrodenabschnitte angeschlossen sind, die porös sind; zumindest einen Separator, der zwischen zumindest einem Paar benachbarter Elemente zur Erzeugung elektrischer Energie angeordnet ist, um elektrisch das zumindest eine Paar mit benachbarten Paaren zu verbinden, so dass die mehreren Elemente zur Erzeugung elektrischer Energie elektrisch in Stapelrichtung verbunden sind; mehrere Gaszufuhrabzweigflusskanäle, die von dem Gaszufuhrflusskanal abzweigen, und den Elektrodenabschnitt des zugehörigen Elements unter den mehreren Elementen zur Erzeugung elektrischer Energie erreichen; und mehrere Gasauslassflusskanäle, die ermöglichen, dass ein Gasrest, der dem zugehörigen Element der mehreren Elemente zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt wird, über die mehreren Gaszufuhrabzweigflusskanäle, über die zugehörige Schicht der ersten Stromsammelschichten abgegeben wird.

Andere und weitere Merkmale, Vorteile, und vorteilhafte Auswirkungen der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert;
1B ist eine typische Ansicht, welche den Gasfluss auf einer Oxidationsmittelelektrodenoberfläche der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert;
2A ist eine Aufsicht auf einen Separator der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform, mit einer Ansicht, bei welcher der Separator, der jeweils in der Mitte einer Anordnung von 1A gestapelt ist, in Richtung Z betrachtet wird;
2B ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A von 2A;
2C ist ein Querschnitt entlang der Linie B-B von 2A;
2D ist eine Aufsicht auf eine Stromsammelschicht der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform, mit einer Ansicht, bei welcher die Stromsammelschicht, die jeweils auf die Oberseite der Anordnung in 1A aufgestapelt ist, in Richtung Z betrachtet wird;
2E ist ein Querschnitt entlang der Linie C-C von 2D;
3A ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert;
3B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines in 3A gezeigten Teils, und eine typische Ansicht zur Erläuterung des Gasflusses auf einer Oxidationsmittelelektrodenoberfläche der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
4A ist eine Aufsicht auf eine Stromsammelschicht für ein rechteckiges Element zur Erzeugung elektrischer Energie einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, entsprechend dem Aufbau von 2D;
4B ist ein Querschnitt entlang der Linie D-D von 4A;
4C ist eine Aufsicht auf eine Stromsammelschicht für ein kreisförmiges Element zur Erzeugung elektrischer Energie der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform bei einer Betrachtung entsprechend dem Aufbau von 2D;
5A ist eine Aufsicht auf eine Stromsammelschicht einer abgeänderten Form der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform, um eine Ansicht entsprechend dem Aufbau gemäß 2D zur Verfügung zu stellen;
5B ist ein Querschnitt entlang der Linie E-E von 5A;
6A ist eine Aufsicht auf eine Stromsammelschicht einer anderen, abgeänderten Art der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform, zur Ausbildung einer Ansicht, welche dem Aufbau von 2D entspricht;
6B ist ein Querschnitt entlang der Linie F-F von 6A;
7A ist eine schematische Querschnittsansicht einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines in 7A gezeigten Teils, und eine typische Ansicht, die einen Gasfluss auf einer Oxidationsmittelelektrode der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert;
8A ist eine Aufsicht auf eine Stromsammelschicht einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle einer fünften Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung, und eine Ansicht, in welcher die Stromsammelschicht, die oben auf die in 7A gezeigte Anordnung aufgestapelt ist, in einer Richtung Z' betrachtet wird;
8B ist ein Querschnitt entlang der Linie G-G von 8A;
9 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und eine typische Ansicht, welche den Gasfluss auf einer zugeordneten Oxidationsmittelelektrodenoberfläche erläutert;
10A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform und eine typische Ansicht, welche den Gasfluss auf einer zugehörigen Brennstoffelektrodenoberfläche erläutert;
10B ist eine vergrößerte Ansicht eines in 10A gezeigten Teils;
11 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und eine typische Ansicht, welche den Gasfluss auf einer zugehörigen Oxidationsmittelelektrodenoberfläche erläutert; und
12 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und eine typische Ansicht, welche den Gasfluss auf einer zugehörigen Brennstoffelektrodenoberfläche erläutert.
BESTE ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend werden Feststoffoxid-Brennstoffzellen jeweiliger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Hierbei sind gleiche Bauteile der verschiedenen Ausführungsformen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, um die Beschreibung zu verkürzen oder zu vereinfachen.
(Erste Ausführungsform)
Zuerst wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 1A bis 2E eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1A ist eine schematische Querschnittsansicht, welche die Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert; 1B ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils einer in 1A gezeigten Anordnung, und eine typische Ansicht, welche den Gasfluss auf einer Oxidationsmittelelektrodenoberfläche der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der momentanen Ausführungsform erläutert; 2A ist eine Aufsicht auf einen Separator der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform, der typischerweise stapelförmig in der Mitte der in 1A gezeigten Anordnung angeordnet ist, und in Richtung Z betrachtet wird; 2B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 2A; 2C ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 2A; 2D ist eine Aufsicht auf eine Stromsammelschicht der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform, die typischerweise stapelförmig auf der Oberseite der in 1A gezeigten Anordnung angeordnet ist, und in Richtung Z betrachtet wird; und 2E ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C von 2D.
Erstens besteht, wie grundsätzlich in den 1A und 1B gezeigt, die Feststoffoxid-Brennstoffzelle (nachstehend auch als ein Stapel bezeichnet) 1 aus Elementen 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms, bei denen jeweils beide Oberflächen mit Stromsammelschichten 31 versehen sind, die aus porösen, elektrischen Leitern bestehen, und mit Separatoren 2, die abwechselnd gestapelt angeordnet sind.
Jedes Element 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms weist eine Elektrolytschicht 21 auf, die auch als Halterungsteil dient, und eine Oxidationsmittelelektrode 22 und eine Brennstoffelektrode 23, die auf beiden Oberflächen der Elektrolytschicht 21 vorgesehen sind, wobei die Oxidationsmittelelektrode 22 und die Brennstoffelektrode 23 porös sind. Weiterhin weisen die Elektrolytschicht 21, die Oxidationsmittelelektrode 22, die Brennstoffelektrode 23, und die Stromsammelschichten 31 jeweils die Form einer flachen Platte auf.
Insbesondere enthält das Element 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms acht [Mol-%] mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkondioxid (nachstehend abgekürzt als 8YSZ) als die Elektrolytschicht 21, La_xSr_1-xCo₀₃ (nachstehend abgekürzt als LSC) als die Oxidationsmittelelektrode 22, die auf der Elektrolytschicht 21 vorgesehen ist, und NiO-YSZ-Cermet als die Brennstoffelektrode 23, die auf der Elektrolytschicht 21 vorgesehen ist.
Die Stromsammelschichten 31 bestehen aus porösen, elektrischen Leitern, beispielsweise aus einem feinen Metalldrahtgeflecht oder aus geschäumtem Metall, die aus wärmebeständigen Metallen wie beispielsweise Edelstahl bestehen, plattenförmig ausgebildet sind, wobei jede eine Oberfläche aufweist, die gegen das Element 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms anliegt, die mit Ausnehmungen in Form von Sacklochabschnitten 32a versehen ist, die sich über die Länge und Breite der Oberfläche erstrecken.
Die ausgenommenen Sacklochabschnitte 32a dienen jeweils als Ablassflusskanäle 13 für oxidiertes Gas in einer Situation, bei welcher die Stromsammelschicht 31 auf der Oxidationsmittelelektrode 22 angeordnet ist, und als Brenngas-Ablassflusskanäle 14 in einer anderen Situation, bei welcher die Stromsammelschicht 31 auf der Brennstoffelektrode 23 angeordnet ist.
Bei der Ausbildung der Oxidationsmittelgas-Ablassflusskanäle 13 oder der Brenngas-Ablassflusskanäle 14 auf der Stromsammelschicht 31 wird eine Oberfläche der Stromsammelschicht 31 teilweise in Gitterform heruntergedrückt, oder bei der Sacklochbearbeitung verschweißt, um die Sachlochabschnitte 32a auszubilden. Weiterhin wird beim stapelförmigen Anordnen der Elemente 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms, der Stromsammelschichten 31, und der Separatoren 2 in dem Stapel 1 eine entsprechende Sacklocherzeugungsbearbeitung von Seitenoberflächen der Stromsammelschichten 31 durchgeführt, um Sacklochabschnitte 32b auszubilden, damit Gaslecks von den Seitenoberflächenabschnitten der Stromsammelschichten verhindert werden.
Weiterhin ist, wie grundsätzlich in den 2A bis 2E gezeigt, jeder Separator 2 aus wärmbeständigem Metall wie beispielsweise Edelstahl der Ferritfamilie hergestellt, und weist, wobei der Stapel so aufgebaut ist, dass mehrere Zellen übereinander gestapelt angeordnet sind, jeder Separator 2 eine Oxidationsmittelgas-Versorgungsrohrverzweigung 3 auf, durch welche Oxidationsmittelgas, beispielsweise Luft, jeder Schicht zugeführt wird, eine Brenngas-Versorgungsrohrverzweigung 4, über welche Brenngas zugeführt wird, eine Oxidationsmittelgas-Ablassrohrverzweigung 5, durch welche Gase, die in jeweiligen Schichten eingesetzt werden, zur Außenseite des Stapels abgegeben werden, und eine Brenngas-Ablassrohrverzweigung 6.
Auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche jedes Separators 2 sind mehrere Vorsprünge 11 vorgesehen, und zwar sechzehn Teile auf vier Linien mal vier Reihen, und sind ausgenommene Abschnitte vorgesehen, die sich über die Länge und die Breite zwischen benachbarten Vorsprüngen 11 erstrecken, um einen Gaszufuhrflusskanal 7 oder einen Brenngaszufuhrflusskanal 8 auszubilden.
In jeder Zelle, welche den Stapel 1 bildet, wird Oxidationsmittelgas wie beispielsweise Luft dem Gaszufuhrflusskanal 7 zugeführt, der zwischen jedem Separator 2 und der zugehörigen Stromsammelschicht 31 vorhanden ist, über die Oxidationsmittelgas-Zufuhrrohrverzweigung 3, und fließt dann durch Oxidationsmittelgas-Zufuhrabzweigflusskanäle 9, die innerhalb der Stromsammelschicht 31 vorgesehen sind, in zugehörige Gasauslassports 12, von welchen Oxidationsmittelgas zu gegenüberliegenden Oberflächen des Elements 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms und zu zugehörigen, benachbarten Bereichen (ersten Bereichen A1) der Stromsammelschicht 31 abgegeben wird.
Dann wird Sauerstoff in dem Oxidationsmittelgas auf der Oberfläche der Oxidationsmittelelektrode 22 ionisiert, und in das Element 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms eingebracht. Verbrauchtes Gas mit einer verringerten Sauerstoffkonzentration fließt über die Oberfläche des Elements 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms auf die Oberfläche des Elements 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms in einem Bereich, der von den ersten Bereichen verschieden ist, über zweite Bereiche A2, und benachbarte, zweite Bereiche A2 der Stromsammelschicht 31, über welche verbrauchtes Gas in die Oxidationsmittelgas-Ablassflusskanäle 13 fließt, und wird über die Oxidationsmittelgas-Ablassrohrverzweigung 5 zur Außenseite des Stapels abgegeben. Weiterhin ist bei den Oxidationsmittelgas-Ablassflusskanälen 13 eine Sacklochbearbeitung durchgeführt, und kann verbrauchtes Gas von Eckbereichen CR, die jeweils als eine Grenze zwischen der Oberfläche der Oxidationsmittelelektrode 22 und dem Oxidationsmittelgas-Ablassflusskanäle 13 dienen, in die Oxidationsmittelgas-Ablassflusskanäle 13 fließen.
Ein derartiger Gasfluss findet entsprechend auf der Brennstoffelektrode statt, und Brenngas wie beispielsweise Gas, das Wasserstoff enthält, fließt nacheinander durch die Brenngas-Zufuhrrohrverzweigung 4, den Brenngas- Zufuhrflusskanal 8, die Brenngas-Zufuhrabzweigflusskanäle 10, und die Gasauslassports 12, und wird dann in das Element zur Erzeugung elektrischen Stroms eingebracht. Brenngas, das dem Element zur Erzeugung elektrischen Stroms zugeführt wird, reagiert mit Sauerstoffionen auf der Oberfläche der Brennstoffelektrode 23, und verbrauchtes Gas, mit einer verringerten Konzentration wirksamer Gasbestandteile, wird von den Brenngas-Ablassflusskanälen 14 zur Außenseite des Stapels über die Brenngas-Ablassrohrverzweigung 6 abgelassen.
Der Oxidationsmittelgas-Zufuhrflusskanal 7 verzweigt sich auf mehrere Oxidationsmittelgas-Zufuhrabzweigflusskanäle 9 in der Stromsammelschicht 31, und untere Enden der jeweiligen Oxidationsmittelgas-Zufuhrabzweigflusskanäle 9 dienen als die mehreren Gasauslassports 12, die an der unteren Oberfläche der Stromsammelschicht 31 vorgesehen sind.
Entsprechend verzweigt sich der Brenngas-Zufuhrflusskanal 8 auf mehrere Brenngas-Zufuhrabzweigflusskanäle 10 in der Stromsammelschicht 31, und dienen obere Enden der jeweiligen Brenngas-Zufuhrabzweigflusskanäle 10 als die mehreren Gasauslassports 12, die an der oberen Oberfläche der Stromsammelschicht 31 vorgesehen sind.
Die Gasauslassports 12, die auf der oberen Oberfläche oder der unteren Oberfläche der Stromsammelschicht 31 vorgesehen sind, weisen eine Gesamtanzahl von 16 auf, infolge von vier Linien mal vier Reihen auf jeder Oberfläche, jedoch ist selbstverständlich die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Anzahl an Gasauslassports 12 beschränkt, da die Anzahl geeignet in Abhängigkeit von Abmessungen des Separators und des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms und in Abhängigkeit von Gasverbrauchsraten festgelegt werden kann.
Zwischen den benachbarten Gasauslassports 12 ist der Oxidationsmittelgas-Ablassflusskanal 13 oder der Brenngas-Ablassflusskanal 14 vorgesehen, die durch die Sacklochabschnitte 32b festgelegt werden, durch welche die Stromsammelschicht 31 mit Ausnehmungen versehen ist.
Hierbei kann, obwohl dies bei der vorliegenden Ausführungsform nicht dargestellt ist, eine Pumpe vorgesehen sein, um Abgase (Gase, die reagiert haben) abzuziehen, die zur Außenseite des Stapels über die Oxidationsmittelgas-Ablassrohrverzweigung 5 oder die Brenngas-Ablassrohrverzweigung 6 abgegeben werden, damit der Stapel 1 unter verringertem Druck in den Ablassflusskanälen arbeiten kann. Infolge des Betriebs unter derartig verringertem Druck in den Ablassflusskanälen lässt sich erwarten, dass die Abgase mit hoher Geschwindigkeit abgelassen werden, um ein verbessertes Temperaturgleichgewicht in dem gesamten Stapel zur Verfügung zu stellen, während eine Erhöhung von Abgasdiffusionsgeschwindigkeiten auf reagierenden Abschnitten zur Verfügung gestellt wird, um eine Verbesserung der Zufuhr von Gasen zu ermöglichen, welche den porösen Elektroden zugeführt werden sollen.
Wie voranstehend geschildert können, da die Konstruktion der vorliegenden Ausführungsform so ausgebildet ist, dass Reaktionsgase in ersten Bereichen des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms durch die mehreren Gaszufuhrabzweigflusskanäle zugeführt werden, die von den Gaszufuhrflusskanälen abzweigen, während ermöglicht wird, dass Gase, die reagiert haben, über die Gasablassflusskanäle in Fluidverbindung mit den zweiten Bereichen abgegeben werden, die sich von den ersten Bereichen unterscheiden, Gase dem gesamten Bereich des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms im Wesentlichen gleichförmig zugeführt werden, ohne eine direkte Mischung mit Gasen, die reagiert haben.
Weiterhin werden zuzuführende Gase in den Gaszufuhrflusskanalabschnitten innerhalb des Separators vorgeheizt, und können der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms in gleichmäßigen Konzentrationen zugeführt werden.
Weiterhin spielt die Stromsammelschicht, die unter Verwendung geschäumten Metalls oder eines feinen Metalldrahtgeflechts ausgebildet ist, eine Rolle als elastischer Puffer, was es ermöglicht, mechanische Spannungen abzubauen, die auf die Zelle einwirken, infolge der mechanischen Spannungen, die sich infolge der Auswirkungen des Zusammenziehens beim Vorgang der Stapelbildung ergeben, und Wärmespannungen abzubauen, die durch eine Erhöhung oder Verringerung der Temperatur hervorgerufen werden.
Weiterhin fließen bei einer Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle, welche nicht die Konstruktion der vorliegenden Ausführungsform aufweist, verbrauchte Gase, die zur Reaktion in der Nähe eines Zentrums eines Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms beigetragen haben, über das Element zur Erzeugung elektrischen Stroms zu dessen Außenseite, und neigen selbst in Gegenwart von Gasen, die einer Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms mit gleichmäßigen Gaskonzentrationen zugeführt werden, zugeführte Gase und Gase, die reagiert haben, die in dem zentralen Teil eingesetzt wurden, dazu, sich gegenseitig zu mischen, in einem Außenumfangsbereich des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms, was zum Auftreten eines Konzentrationsgradienten führt.
Bei der Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden jedoch Gase, die reagiert haben, durch frische Gase herausgedrückt, die zugeführt werden, um von der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms abgelassen zu werden, die eine Rolle als Reaktionsfläche spielt, nach außerhalb durch die Gasablassflusskanäle. Aus diesem Grund wird ein Makro-Gaskonzentrationsgradient in der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms ausgeschaltet, was es ermöglicht, die Gaskonzentration in der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms zu vergleichmäßigen. Daher werden Gase, die ordnungsgemäß vorgeheizt wurden, der Oberfläche in gleichmäßigen Konzentrationen zugeführt, und mischen sich keine frischen Gase, die zugeführt werden, mit Gasen, die reagiert haben, was zur Ausschaltung des Konzentrationsgradienten in der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms führt.
Dies ermöglicht es, dass sowohl die Temperaturverteilung von Gasen über der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms als auch die Gaskonzentrationsverteilungen vergleichmäßigt werden können, was zu einer vergleichmäßigten Reaktion von Gasen führt, wodurch sich eine Verbesserung der Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms ergibt, und daher der Temperaturverteilung des Stapels insgesamt. Dies unterdrückt das Auftreten von Wärmespannungen in der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms und dem gesamten Stapel, was es ermöglicht, Verlässlichkeit und verlängerte Betriebslebensdauer des Stapels zu erzielen.
Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform die Auslassports und die Gasablassflusskanäle sowohl für das Brenngas als auch für das Oxidationsmittelgas vorgesehen sind, ermöglicht es jeder dieser Auslassports, die Temperaturverteilung im Vergleich zum Stand der Technik weiter zu verbessern.
Weiterhin wurde zwar die momentane Ausführungsform so beschrieben, dass sie bei einer rechteckigen Zellenkonstruktion eingesetzt wird, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Zellenkonstruktion beschränkt, und ist es selbstverständlich möglich, die vorliegende Erfindung bei anderen Zellenkonstruktionen einzusetzen, vom Typ einer flachen Platte mit runder Form.
(Zweite Ausführungsform)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 3A und 3B eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben.
3A ist eine schematische Querschnittsansicht, welche die Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert, und 3B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der in 3A gezeigten Konstruktion, und eine typische Ansicht, welche den Gasfluss auf einer Oxidationsmittelelektrodenoberfläche der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
Wie in den 3A und 3B gezeigt, unterscheidet sich die Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform, also ein Stapel 101, von der Konstruktion der ersten Ausführungsform in der Hinsicht, dass eine zweite Stromsammelschicht zwischen dem Element zur Erzeugung elektrischen Stroms und der ersten Stromsammelschicht angeordnet ist, und ist im übrigen gleich der Konstruktion bei der ersten Ausführungsform.
Insbesondere weist bei der vorliegenden Ausführungsform die Stromsammelschicht eine Doppelschichtkonstruktion auf, die aus einer ersten Stromsammelschicht 31 (entsprechend der Stromsammelschicht 31 bei der ersten Ausführungsform) und einer zweiten Stromsammelschicht 33 besteht, zwischen welchen Gasablassflusskanäle 13, 14 vorgesehen sind.
Die erste Stromsammelschicht 31 besteht aus einem porösen elektrischen Leiter, beispielsweise aus einem feinen Metalldrahtgeflecht oder geschäumtem Metall, die aus einem wärmbeständigem Metall wie beispielsweise Edelstahl ebenso wie bei der ersten Ausführungsform bestehen, in Form ähnlich einer Platte, und weist eine Oberfläche auf, welche dem Element 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms über die zweite Stromsammelschicht 33 zugewandt ist, die mit Sacklochabschnitten 32a versehen ist, die als Ausnehmungen ausgebildet sind, die sich über die Länge und Breite der Oberfläche erstrecken.
Die Sacklochabschnitte 32a, die in Form von Ausnehmungen vorhanden sind, sorgen für eine Konstruktion der Oxidationsmittelgas-Ablassflusskanäle 13, bei welcher die Stromsammelschicht 31 der Oxidationsmittelelektrode 22 zugeordnet ist, und stellen die Brenngas-Ablassflusskanäle 14 bei einer anderen Konstruktion zur Verfügung, bei welcher die Stromsammelschicht 31 der Brennstoffelektrode 23 zugeordnet ist.
Wenn die Oxidationsmittelgas-Ablassflusskanäle 13 oder die Brenngas-Ablassflusskanäle 14 auf der Stromsammelschicht 31 hergestellt werden, wird eine Oberfläche der Stromsammelschicht 31 teilweise in Gitterform eingedrückt, oder teilweise geschweißt, um eine Sacklochbearbeitung durchzuführen, wodurch die Sacklochabschnitte 32a ausgebildet werden.
Die zweite Stromsammelschicht 33 ist über einer gesamten Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms vorgesehen, und ist porös, wie die erste Stromsammelschicht 31. Während die zweite Stromsammelschicht 33 aus einem porösen elektrischen Leiter besteht, beispielsweise einem feinen Metalldrahtgeflecht oder geschäumtem Metall, bestehend aus wärmbeständigem Metall wie beispielsweise Edelstahl, in Form einer Platte, sind keine Sacklochabschnitte in Form von Ausnehmungen vorhanden.
Wenn das Element 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms, die Stromsammelschicht 31, die Stromsammelschicht 33 und der Separator 2 zur Ausbildung des Stapels 101 aufeinander gestapelt werden, wird bei Seitenoberflächen der ersten und zweiten Stromsammelschicht 31 bzw. 33 eine Sacklochbearbeitung durchgeführt, um die Sacklochabschnitte 32a auszubilden, zu dem Zweck, Gaslecks von den Seitenoberflächen der Stromsammelschichten zu verhindern.
Der Gaszufuhrflusskanal 7 verzweigt sich auf mehrere Oxidationsmittelgas-Ablassflusskanäle 9 innerhalb der ersten Stromsammelschicht 31, und jeweilige untere Enden der Oxidationsmittelgas-Ablassflusskanäle 9 dienen als mehrere Gasauslassports 12, die an einer unteren Oberfläche der ersten Stromsammelschicht 31 offen sind. Entsprechend verzweigt sich der Brenngas-Zufuhrflusskanal 8 auf mehrere Brenngas-Abzweigflusskanäle 10 innerhalb der ersten Stromsammelschicht 31, und dienen jeweilige untere Enden der Brenngas-Abzweigflusskanäle 10 als mehrere Gasauslassports 12, die an einer oberen Oberfläche der ersten Stromsammelschicht 31 offen sind.
In jeder Zelle, welche den Stapel 101 bildet, wird Oxidationsmittelgas dem Gaszufuhrflusskanal 7 zugeführt, der zwischen dem Separator 2 und der ersten Stromsammelschicht 31 vorgesehen ist, über die Oxidationsmittelgas-Zufuhrrohrverzweigung 3, und geht dann durch die Oxidationsmittelgas-Abzweigflusskanäle 9 im Inneren der ersten Stromsammelschicht 31 hindurch in die Gasauslassports 12, von welchen Oxidationsmittelgas zu einem Bereich (dem ersten Bereich A1) der zweiten Stromsammelschicht 33 abgegeben wird, worauf Oxidationsmittelgas eine Oberfläche der Oxidationsmittelelektrode 22 des Elements 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms erreicht.
Sauerstoff in dem Oxidationsmittelgas wird dann auf der Oberfläche der Oxidationsmittelelektrode 22 des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms ionisiert, um dort eingebracht zu werden. Daher fließt verbrauchtes Gas mit einer verringerten Sauerstoffkonzentration von einem zweiten Bereich A2, der sich von dem ersten Bereich A1 unterscheidet, ins Innere der zweiten Stromsammelschicht 33, um durch den Oxidationsmittelgas-Ablassflusskanal 13 hindurchzugehen, worauf verbrauchtes Gas nach außerhalb des Stapels über die Oxidationsmittelgas-Ablassrohrverzweigung 5 abgegeben wird. Ein derartiger Gasfluss tritt entsprechend auf der Brennstoffelektrode auf.
Wie voranstehend geschildert sind, infolge der Konstruktion der vorliegenden Ausführungsform, zusätzlich zu den Auswirkungen der ersten Ausführungsform, die zweiten Stromsammelschichten 33 auf den Oberflächen des Elements 20 zur Erzeugung elektrischen Stroms vorgesehen, insbesondere auf den gesamten Bereichen flacher Oberflächen der Oxidationsmittelelektrode 22 und der Brennstoffelektrode 23, wodurch ermöglicht wird, eine Verringerung des elektrischen Kontaktwiderstands zwischen der Stromsammelschicht und der Elektrode zu erzielen, was eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrads der Erzeugung elektrischen Stroms ermöglicht.
(Dritte Ausführungsform)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 4A bis 6B eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben.
4A ist eine Aufsicht, die eine Stromsammelschicht eines quadratischen Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform erläutert; 4B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie D-D von 4A; 4C ist eine Aufsicht, die eine Stromsammelschicht eines Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms mit runder Form der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform erläutert; 5A ist eine Aufsicht, die eine Stromsammelschicht einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer Abänderung der vorliegenden Ausführungsform erläutert; 5B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie E-E von 5A; 6A ist eine Aufsicht auf eine Stromsammelschicht einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer anderen Abänderung der vorliegenden Ausführungsform; und 6B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie F-F von 6A.
Wie in den 4A bis 6B gezeigt, unterscheidet sich die Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform von der ersten Ausführungsform in der Hinsicht, dass Gasablassflusskanäle 13, die in Stromsammelschichten 131, 231, 331, 431 vorgesehen sind, im Wesentlichen vergrößerte Querschnittsflächen in einer Fläche außerhalb einer zentralen Fläche CR eines Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms aufweisen. Im Übrigen ist die Konstruktion der vorliegenden Ausführungsform ebenso wie bei der ersten Ausführungsform.
Bei der Feststoffoxid-Brennstoffzelle tritt die Tendenz auf, dass Abgase, die infolge der Reaktion entstehen, und zum Bereich nach außen abgegeben werden, und darüber hinaus Gase, die zur Reaktion innerhalb des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms beigetragen haben, ebenfalls in Flusskanäle außerhalb des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms fließen, so dass die Flussrate der Gase desto größer ist, je näher sie sich am Außenbereich befinden. Insbesondere beim Einsatz von Kohlenwasserstoffbrennstoff treten in dieser Hinsicht deutliche Effekte auf. Wenn dies stattfindet, und eine Breite des Flusskanals so festgelegt wird, dass nur die Flussrate für Gase im Außenbereich erfüllt ist, ist die sich ergebende Breite für den Innenbereich überdimensioniert, was zu einem engen Weg führt, durch welche Gase abgegeben werden, und dem Bereich des Stromsammelabschnitts verkleinert, was zu einer Erhöhung des Stromsammelwiderstands führt. Unter diesen Gesichtspunkten wird bei der vorliegenden Ausführungsform eine wesentliche Vergrößerung der Querschnittsfläche der Gasablassflusskanäle im Außenbereich weiter entfernt vom zentralen Bereich CR des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms vorgenommen, um hierdurch mit den voranstehend geschilderten Auswirkungen fertig zu werden.
Spezieller weist, um mit einem derartigen Effekt fertig zu werden, wie in 4A und 4B gezeigt, die Feststoffoxid-Brennstoffzelle mit quadratischen Zellen, die mit quadratischer Form ausgebildet ist, gesehen in einer Ebene von einem oberen Bereich oder einem unteren Bereich in 1A, also der Stapel mit den quadratischen Zellen eine solche Konstruktion auf, bei welcher die Dichte, beispielsweise die Anzahl, an Gasablassflusskanälen einen größeren Wert im Außenbereich als im Innenbereich aufweist.
Weiterhin nimmt in 4C die Feststoffoxid-Brennstoffzelle mit runden Zellen, die in runder Form ausgebildet ist, gesehen in einer Ebene von dem oberen Bereich oder dem unteren Bereich in 1A, also der Stapel mit den runden Zellen, eine Konstruktion an, bei welcher die Dichte, also die Anzahl an Gasablassflusskanälen, einen größeren Wert im Außenbereich als im Innenbereich aufweist.
Bei dem Stapel, der die runden Zellen einsetzt, tritt trotz der Tatsache, dass das Vorhandensein der Gasablassflusskanäle, die in Radialrichtung angeordnet sind, einen wirksameren Ausstoß von Gasen ermöglicht, die Tendenz auf, dass mit wachsender Nähe zum Außenbereich die Rate von Abgasen immer größer wird, die in die Gasablassflusskanäle fließen, was zu der Schwierigkeit führt, einen glatten Ausstoß von Gasen im Innenbereich zu erzielen. Daher führt das Vorhandensein einer Anzahl an Gasablassflusskanälen, die so festgelegt ist, dass sie im Außenbereich des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms größer ist, zu der Auswirkung, einen glatten Ausstoß von Gasen auf der Oberfläche des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms auf gleichmäßigere Art und Weise zu erzielen.
Weiterhin nimmt in den 5A und 5B die Feststoffoxid-Brennstoffzelle mit quadratischen Zellen, die quadratisch ausgebildet ist, gesehen in einer Ebene von dem oberen Bereich oder dem unteren Bereich in 1A, also ein Stapel mit den quadratischen Zellen, eine Konstruktion an, bei welcher Gasablassflusskanäle eine größere Breite im Außenbereich aufweisen als jene der Gasablassflusskanäle im Innenbereich, also in einem Bereich näher an einem Außenumfangsabschnitt, um hierdurch die Querschnittsflächen der Gasflusskanäle zu vergrößern. Insbesondere nehmen die Breiten der Gasablassflusskanäle einen größeren Wert an, um die Querschnittsflächen zu erhöhen, wenn Gasablassflusskanäle 13a, 13b, 13c weit weg von der Innenseite der Zelle zu deren Außenseite mit wachsender Entfernung angeordnet sind.
Weiterhin weist in den 6A und 6B eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle mit quadratischen Zellen, die quadratisch ausgebildet ist, gesehen in einer Ebene von dem oberen Bereich oder dem unteren Bereich in 1A, also ein Stapel mit den quadratischen Zellen, eine Konstruktion auf, bei welcher Gasablassflusskanäle eine größere Tiefe im Außenbereich aufweisen als jene der Gasablassflusskanäle im Innenbereich, also in einem Bereich näher an einem Außenumfangsabschnitt, um hierdurch die Querschnittsflächen der Gasflusskanäle zu vergrößern. Speziell ist die Tiefe eines Gasablassflusskanals 113e im Außenbereich größer als jene eines Gasablassflusskanals 113a im Innenbereich einer Zelle.
(Vierte Ausführungsform)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 7A bis 7E eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben.
7A ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert, und 7B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils von 7A und eine typische Ansicht, die einen Gasfluss auf einer Oberfläche einer Oxidationsmittelelektrode der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform erläutert.
Wie in den 7A und 7B gezeigt, unterscheidet sich eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle 201 der vorliegenden Ausführungsform von der ersten Ausführungsform in der Hinsicht, dass eine Stromsammelschicht eine Doppelschichtkonstruktion ist, mit einem ersten Stromsammler 31 und einer zweiten Stromsammelschicht 33, und die erste Stromsammelschicht 31 aus einem Metallrahmen 34 und porösen elektrischen Leitern 31a besteht, die aus geschäumtem Metall oder aus einem feinen Metalldrahtgeflecht bestehen. Im Übrigen ist die Konstruktion ebenso wie bei der ersten Ausführungsform.
Speziell wird mittels Durchführung einer Sacklochbearbeitung auf Seitenoberflächen der porösen elektrischen Leiter 31a der ersten Stromsammelschicht 31 zur Ausbildung von Sacklochabschnitten 32, und durch Verbindung der porösen elektrischen Leiter 31a mit dem Metallrahmen 34 ermöglicht, Gasablassflusskanäle 13 (Gasablassflusskanäle 14 auf einer Brennstoffelektrode) für Oxidationsmittelgas in Räumen auszubilden, die von dem Metallrahmen 34 und den Sacklochabschnitten 32 der Stromsammelschicht 31 umgeben sind.
Obwohl das Vorhandensein von Abmessungen mit großem Durchmesser bei geschäumtem Metall oder einem feinen Metalldrahtgeflecht zu einer verringerten Exaktheit der Abmessung in Richtung der Dicke und zu extrem brüchigen und weichen Eigenschaften führt, ermöglicht der Einsatz der voranstehend geschilderten Konstruktion, die Herstellung extrem zu erleichtern, und die Handhabung einer Stromsammelschicht mit einer großen Oberfläche.
Selbstverständlich kann die vorliegende Ausführungsform auch bei den Konstruktionen zur Erhöhung der Anzahl an Flusskanälen und zur Vergrößerung der Querschnittsflächen der Flusskanäle auf größere Werte im Außenbereich der Zelle als bei den Flusskanälen im Innenbereich eingesetzt werden.
(Fünfte Ausführungsform)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 8A bis 8B eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben.
8A ist eine Aufsicht, die eine Stromsammelschicht der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform erläutert, und eine Ansicht der Stromsammelschicht, die typischerweise auf die Oberseite der in 7A gezeigten Konstruktion auflaminiert ist, gesehen in einer Richtung Z', und 8B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie G-G in 8A.
Wie in den 8A und 8B gezeigt, unterscheidet sich die Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform von der vierten Ausführungsform in der Hinsicht, dass ein Metallrahmen 134 Öffnungen mit solchen Abmessungen aufweist, dass Öffnungen 35a in einem zentralen Bereich CR eine geringere Größe aufweisen als Öffnungen 35b in einem Außenumfangsbereich. Im Übrigen ist die Konstruktion ebenso wie bei der vierten Ausführungsform.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden infolge einer Konstruktion, bei welcher die Öffnungen des Metallrahmens 134 solche Abmessungen aufweisen, dass die Öffnungen 35a im zentralen Bereich klein sind, während die Öffnungen 35b im Außenumfangsbereich groß sind, Gase dem inneren Bereich der Zelle mit einer niedrigen Flussrate zugeführt, wogegen Gase dem Außenumfangsbereich der Zelle mit einer hohen Flussrate zugeführt werden, wodurch eine intensive Reaktion im Außenumfangsbereich des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms auftreten kann, wogegen die Reaktion im zentralen Bereich auf ein kleineres Ausmaß beschränkt ist.
Das Vorhandensein unterschiedlicher Abmessungen der Öffnungen in dem Metallrahmen 134 ermöglicht es daher, dass bei dem Element zur Erzeugung elektrischen Stroms sich keine Wärme aufbaut, wodurch negative Auswirkungen unterdrückt werden, die infolge von Wärmespannungen auftreten, die dann auftreten würden, wenn sich Wärme innerhalb des Stapels infolge eines vergrößerten Durchmessers der Konstruktion entwickelt.
(Sechste Ausführungsform)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die 9 bis 10B eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben.
9 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einer typischen Ansicht, welche einen Gasfluss auf einer Oxidationsmittelelektrodenoberfläche erläutert; 10A ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform in einer typischen Ansicht, welche einen Gasfluss auf einer Brennstoffelektrodenoberfläche erläutert; und 10B ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der in 10A gezeigten Konstruktion.
Wie aus den 9 bis 10B hervorgeht, unterscheidet sich die Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform von der vierten Ausführungsform in der Hinsicht, dass keine Sacklochbearbeitung auf der Seitenoberfläche des porösen elektrischen Leiters 31a der ersten Stromsammelschicht 131 durchgeführt wird. Im Übrigen ist die Konstruktion ebenso wie bei der vierten Ausführungsform.
Insbesondere weist, wie in 9 gezeigt, wenn die Oxidationsmittelelektrode 32 eine Konstruktion ohne Sacklochabschnitt aufweist, die Seitenoberfläche der ersten Stromsammelschicht 131 keinen Sacklochabschnitt auf, wodurch ermöglicht wird, Oxidationsmittelgas der Oxidationsmittelelektrode 22 mit einer weiter erhöhten Flussrate zuzuführen.
Hierdurch kann Wärme, die sich im zentralen Bereich (im Inneren des Stapels) des Elements zur Erzeugung elektrischen Stroms entwickeln kann, zwangsweise nach außerhalb durch den Einsatz von Oxidationsmittelgas abgeführt werden, das mit einer weiter erhöhten Flussrate fließt, um hierdurch eine Kühlung zu erzielen, wodurch negative Auswirkungen ausgeschaltet werden, die infolge von Wärmespannungen auftreten, die durch Wärme hervorgerufen würden, die sich im Inneren des Stapels infolge eines vergrößerten Durchmessers der Konstruktion entwickeln würde.
Weiterhin weist, wie in den 10A und 10B gezeigt, bei der Kraftstoffelektrode 23, die bei einer Konstruktion ohne Sacklochabschnitt eingesetzt wird, eine Dicke t des porösen elektrischen Leiters 31a der ersten Stromsammelschicht 131 vorzugsweise einen Wert kleiner oder gleich einer Verbindungsbreite w auf (ausgedrückt als t ≤ w), zwischen dem porösen elektrischen Leiter 31a und dem Metallrahmen 34, und kann die zweite Stromsammelschicht vorzugsweise eine Porosität aufweisen, die niedriger ist als jene der ersten Stromsammelschicht 131, also des porösen elektrischen Leiters 31a. Mit einer derartigen Konstruktion wird ermöglicht, dass Brenngas der Brennstoffelektrodenoberfläche zugeführt wird, während die Menge an Brenngas minimiert wird, welche direkt zum Gasablassflusskanal herausleckt, soweit wie möglich.
Zwar wurde die vorliegende Ausführungsform in Bezug auf die Konstruktion beschrieben, die bei der vierten Ausführungsform eingesetzt wird, jedoch ist es selbstverständlich möglich, die vorliegende Ausführungsform bei der ersten bis dritten und der fünften Ausführungsform einzusetzen, mit ähnlichen Auswirkungen.
(Siebte Ausführungsform)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 11 eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben.
11 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform in einer typischen Ansicht, welche einen Gasfluss auf einer Oxidationsmittelelektrodenoberfläche erläutert.
Wie in 11 gezeigt, unterscheidet sich die Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform von der vierten Ausführungsform in der Hinsicht, dass eine dritte Stromsammelschicht 35 vorgesehen ist, die in dem Gasablassflusskanal, also dem Oxidationsmittelgas-Ablassflusskanal und dem Brenngas-Ablassflusskanal angeordnet ist, und aus einem porösen, elektrisch leitenden Material mit höherer Porosität als jener des porösen, elektrisch leitfähigen Materials besteht, das bei der ersten und zweiten Stromsammelschicht 31, 33 eingesetzt wird. Im Übrigen ist die Konstruktion ebenso wie bei der vierten Ausführungsform.
Daher dient bei der vorliegenden Ausführungsform, infolge des Vorhandenseins der dritten Stromsammelschicht 33, die aus einem Material besteht, dessen Porosität höher ist als jene der anderen Stromsammelschichten, die dritte Stromsammelschicht bevorzugter als Gasablassflusskanal, was eine weitere Verringerung des Innenwiderstands einer Brennstoffzelle ermöglicht.
Zwar wurde die vorliegende Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Konstruktion beschrieben, die bei der vierten Ausführungsform eingesetzt wird, jedoch ist es selbstverständlich möglich, die vorliegende Ausführungsform bei der ersten bis dritten, fünften und sechsten Ausführungsform mit ähnlichen Auswirkungen einzusetzen.
(Achte Ausführungsform)
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 12 eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben.
12 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform und eine typische Ansicht, welche einen Gasfluss auf einer Brennstoffelektrodenoberfläche erläutert.
Wie in 12 gezeigt, unterscheidet sich die Feststoffoxid-Brennstoffzelle der vorliegenden Ausführungsform von der vierten Ausführungsform in der Hinsicht, dass ein poröser elektrischer Leiter, welcher die erste Stromsammelschicht 31 bildet, die auf der Oberfläche der Brennstoffelektrode 23 vorgesehen ist, einen porösen Stromsammler 36 aufweist, der einen Reformierungskatalysator für Brenngas trägt. Im Übrigen ist die Konstruktion ebenso wie bei der vierten Ausführungsform.
Speziell können Beispiele für einen Reformierungskatalysator, der auf dem porösen Stromsammler 36 vorhanden ist, vorzugsweise Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Ruthenium (Ru), Eisen (Fe), Nickel (Ni) und Kupfer (Cu) umfassen. Mit einem derartigen Reformierungskatalysator werden Kohlenwasserstoffe in Brenngas einfach reformiert zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid, was zu einer Erhöhung des Reaktionsvermögens führt, wodurch eine weitere Verbesserung des Brennstoffnutzungswirkungsgrades ermöglicht wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform hat daher infolge des Vorhandenseins des Reformierungskatalysators auf der ersten Stromsammelschicht 31 die erste Stromsammelschicht 31 nicht nur für die Fähigkeit, Strom zu sammeln, sondern auch für die Fähigkeit, Gase vorzuheizen, Gase mit gleichmäßigen Konzentrationen dem Element zur Erzeugung elektrischen Stroms zuzuführen, und verbrauchte Gase abzugeben, und ermöglicht es darüber hinaus, Brenngas zu reformieren, was eine Verbesserung der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle ermöglicht, zusätzlich zu einer Verbesserung der Temperaturverteilung.
Zwar wurde die vorliegende Ausführungsform in Bezug auf die Konstruktion beschrieben, die bei der vierten Ausführungsform eingesetzt wird, jedoch ist es selbstverständlich möglich, die vorliegende Ausführungsform bei der ersten bis dritten und fünften bis siebten Ausführungsform mit gleichen Auswirkungen einzusetzen.
Der gesamte Inhalt einer Patentanmeldung mit der Nr. TOKUGAN 2003-403182 mit einem Anmeldungstag vom 02. Dezember 2003 in Japan, wird durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen.
Zwar wurde die Erfindung voranstehend unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, jedoch ist die Erfindung nicht auf die voranstehend geschilderten Ausführungsformen beschränkt. Fachleuten auf diesem Gebiet werden angesichts der Lehren Abänderungen und Variationen der voranstehend geschilderten Ausführungsformen auffallen. Der Umfang der Erfindung ist unter Bezugnahme auf die folgenden Patentansprüche festgelegt.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Wie voranstehend geschildert können bei einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung, da ein Gaszufuhrflusskanal, über welchen Gas zugeführt wird, und ein Gasablassflusskanäle, durch welchen Gas abgelassen wird, auf einer Zellenoberfläche getrennt sind, Gase der Zellenoberfläche mit gleichmäßigen Konzentrationen zugeführt werden, ohne eine Mischung zwischen zugeführtem Gas und Abgas hervorzurufen, während Gase, die reagiert haben, ohne negative Auswirkungen auf die Gaskonzentration um Umgebungsbereich der Zelle abgelassen werden können, um so die Gaskonzentration auf der Zellenoberfläche zu vergleichmäßigen, um hierdurch den Wirkungsgrad zur Erzeugung elektrischer Energie zu erhöhen, während das Auftreten von Wärmespannungsverteilungen unterdrückt wird, um Verbesserungen in Bezug auf die Verlässlichkeit und die Lebensdauer der Brennstoffzelle zu ermöglichen. Daher lässt sich bei einer derartigen Feststoffoxid-Brennstoffzelle ein erweiterter Einsatzbereich erwarten, der durch Brennstoffzellen versorgte Kraftfahrzeuge umfasst, bei welchen eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle eingesetzt wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle (1, 101, 201) weist mehrere Elemente (20) zur Erzeugung elektrischen Stroms auf, die jeweils einen Feststoffoxid-Elektrolyten (21) und einen porösen Elektrodenabschnitt (22, 23) aufweisen, welchem Gase zugeführt werden. Die Brennstoffzelle weist mehrere erste, poröse Stromsammelschichten (31) auf, die jeweils elektrisch an den Elektrodenabschnitt angeschlossen sind, zumindest einen Separator (2), der zwischen zumindest einem Paar aus zugehörigen Elementen der mehreren Elemente zur Erzeugung elektrischen Stroms angeordnet ist, um elektrisch das Paar zu verbinden, einen Gaszufuhrflusskanal (7, 8), der zwischen dem zumindest einen Separator und der zugehörigen einen Schicht der mehreren Stromsammelschichten vorgesehen ist, mehrere Gaszufuhrflusskanäle (9, 10), die von dem Gaszufuhrkanal abzweigen, um einen Elektrodenabschnitt des zugehörigen Elements der mehreren Elemente zur Erzeugung elektrischen Stroms zu erreichen, und mehrere Gasablassflusskanäle (13, 14), die es ermöglichen, dass ein Gasrest, welcher dem zugehörigen Element unter den mehreren Elementen zur Erzeugung elektrischen Stroms über die mehreren Gaszufuhrabzweigflusskanäle zugeführt wird, durch die zugehörige der ersten Stromsammelschichten abgelassen wird.

Claims

Feststoffoxid-Brennstoffzelle, bei welcher vorgesehen sind: mehrere Elemente zur Erzeugung elektrischen Stroms, die in einer Stapelrichtung gestapelt sind, und jeweils einen Feststoffoxid-Elektrolyten und einen porösen Elektrodenabschnitt aufweisen, welchem Gase zugeführt werden; mehrere erste Stromsammelschichten, die an die Elektrodenabschnitte angeschlossen sind, die porös sind; zumindest ein Separator, der zwischen zumindest einem Paar benachbarter unter den mehreren Elementen zur Erzeugung elektrischen Stroms angeordnet ist, um das zumindest eine Paar benachbarter Elemente mit einem anderen zu verbinden, so dass die mehreren Elemente zur Erzeugung elektrischen Stroms elektrisch in Stapelrichtung verbunden sind; ein Gaszufuhrflusskanal, der zwischen dem zumindest einen Separator und einer der mehreren ersten zugeordneten Stromsammelschichten vorgesehen ist; mehrere Gaszufuhrabzweigflusskanäle, die von dem Gaszufuhrflusskanal abzweigen, und den Elektrodenabschnitt des zugehörigen der mehreren Elemente zur Erzeugung elektrischen Stroms erreichen; und mehrere Gasablassflusskanäle, die es ermöglichen, einen Gasrest, der dem zugehörigen unter den mehreren Elementen zur Erzeugung elektrischen Stroms über die mehreren Gaszufuhrabzweigflusskanäle zugeführt wird, durch die zugehörige der ersten Stromsammelschichten abzulassen.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei welcher der Elektrodenabschnitt eine poröse Oxidationsmittelelektrode aufweist, die auf einer Oberfläche des Feststoffoxid-Elektrolyten vorgesehen ist, um mit Oxidationsmittelgas versorgt zu werden, und eine poröse Brennstoffelektrode, die auf der anderen Oberfläche des Feststoffoxid-Elektrolyten vorgesehen ist, um mit Brenngas versorgt zu werden.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, bei welcher die mehreren ersten Stromsammelschichten benachbart der Oxidationsmittelelektrode bzw. der Brennstoffelektrode angeordnet sind.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei welcher die mehreren Gaszufuhrabzweigflusskanäle von dem Gasflusskanal abzweigen, um den Elektrodenabschnitt des zugehörigen Elements der mehreren Elemente zur Erzeugung elektrischen Stroms über die zugehörige erste Stromsammelschicht zu erreichen.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei welcher die mehreren ersten Stromsammelschichten poröse elektrische Leiter aufweisen.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei welcher die Gasablassflusskanäle jeweils auf einer der mehreren ersten Stromsammelschichten vorgesehen sind, und Ausnehmungen aufweisen, die einer Sacklochbearbeitung unterworfen wurden, welche den Elektrodenabschnitt des zugehörigen Abschnitts der mehreren Abschnitte zur Erzeugung elektrischen Stroms erreichen.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei welcher zweite Stromsammelschichten, die jeweils aus einem porösen elektrischen Leiter bestehen, jeweils zwischen einem der mehreren Elemente zur Erzeugung elektrischen Stroms und einem der mehreren ersten Stromsammelschichten angeordnet sind.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 7, bei welcher der Gasrest, welche dem zugehörigen Element unter den mehreren Elementen zur Erzeugung elektrischen Stroms über die mehreren Gaszufuhrabzweigflusskanäle zugeführt wird, über eine zugehörige der zweiten Stromsammelschichten abgelassen wird.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei welcher die Anzahl der mehreren Gasablassflusskanäle größer in einem Außenumfangsbereich ist als jene der Gasablassflusskanäle in einem zentralen Bereich des zugehörigen Elements unter den mehreren Elementen zur Erzeugung elektrischen Stroms.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei welcher die Querschnittsflächen der mehreren Gasablassflusskanäle größer in einem Außenumfangsbereich sind als jene der Gasablassflusskanäle in einem zentralen Bereich des zugehörigen Elements unter den mehreren Elementen zur Erzeugung elektrischen Stroms.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei welcher die mehreren ersten Stromsammelschichten einen Rahmenabschnitt aufweisen, der mit mehreren Öffnungen versehen ist, und poröse Leiter für elektrischen Strom, die entsprechend neben den mehreren Öffnungen angeordnet sind, und die Gaszufuhrflusskanäle an den mehreren Öffnungen abzweigen.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 11, bei welcher der Rahmenabschnitt aus Metall besteht, und die Größe der mehreren Öffnungen in einem Außenumfangsbereich größer ist als jene der Öffnungen in einem zentralen Bereich des zugehörigen Elements unter den mehreren Elementen zur Erzeugung elektrischen Stroms.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 11, bei welcher eine Breite, über welche der Rahmenabschnitt den porösen elektrischen Leiter überlappt, größer ist als eine Dicke des porösen elektrischen Leiters in Stapelrichtung.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, bei welcher dritte Stromsammelschichten, die jeweils aus einem porösen elektrischen Leiter bestehen, jeweils in einem der mehreren Gasablassflusskanäle angeordnet sind, und die dritten Stromsammelschichten eine Porosität aufweisen, die größer ist als jene der mehreren ersten Stromsammelschichten.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 7, bei welcher dritte Stromsammelschichten, die jeweils aus einem porösen elektrischen Leiter bestehen, jeweils in einem der mehreren Gasablassflusskanäle angeordnet sind, und die dritten Stromsammelschichten eine Porosität aufweisen, die größer ist als jene der zweiten Stromsammelschicht.
Feststoffoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, bei welcher die mehreren ersten Stromsammelschichten, die jeweils der Brennstoffelektrode zugewandt sind, einen Brennstoffreformierungskatalysator aufweisen.