DE112009003577T5 - Fuel cell system with segmented stack - Google Patents

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Sascha Kühn
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Gerhard Buchinger
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Abstract

Brennstoffzellensystem mit mehreren tubularen, insbesondere mikrotubularen, Brennstoffzellen, insbesondere Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), umfassend mindestens einen elektrisch leitfähigen Träger (3) oder Trägerabschnitt, der in mehrere in sich elektrisch leitfähige Segmente (3a, 3b) unterteilt ist, wobei unterschiedliche Segmente voneinander elektrisch isoliert (2) sind und wobei mindestens zwei der Segmente jeweils mindestens eine, bevorzugt mehrere, Brennstoffzelle(n) (1a, 1b) umfassen, die zumindest abschnittsweise so am jeweiligen Segment (3a, 3b) angeordnet und/oder in das jeweilige Segment integriert ist/sind, dass jeweils eine ihrer Elektroden in elektrischem Kontakt mit dem jeweiligen Segment steht.Fuel cell system with several tubular, in particular microtubular, fuel cells, in particular solid oxide fuel cells (SOFC), comprising at least one electrically conductive carrier (3) or carrier section which is divided into several electrically conductive segments (3a, 3b), with different segments being electrically isolated from one another (2) and wherein at least two of the segments each comprise at least one, preferably several, fuel cell (s) (1a, 1b) which are arranged at least in sections on the respective segment (3a, 3b) and / or integrated into the respective segment / are that one of their electrodes is in electrical contact with the respective segment.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellensysteme, insbesondere Hochtemperatur-Festoxidbrennstoffzellensysteme.The present invention relates to fuel cell systems, particularly high temperature solid oxide fuel cell systems.

Es existieren bereits Konzepte für Hochtemperatur-Festoxidbrennstoffzellen, die in der Literatur dokumentiert sind ( Fuel Cell Handbook 7th edition, EG&G Services, Inc. U. S. Department of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, Morgantown, West Virginia, November 2004 ; Handbook of Fuel Cells Fundamentals, Technology and Application, Wolf Vielstich, Hubert A. Gasteiger, Arnold Lamm, 2003 John Wiley & Sons, Ltd. ). Darunter finden sich tubulare, planare und monolithische Bauweisen von Zellen. Ein Sonderfall der tubularen Bauweise ist die sogenannte mikrotubulare, die sich durch eine außerordentliche Stabilität gegen hohe Temperaturgradienten und damit verbunden eine schnelle thermische Zyklierbarkeit auszeichnet. Darüberhinaus besitzen sie durch ihr hohes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis auch eine verbesserte volumetrische Leistungsdichte ( High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications; S. C. Singhal et al.; ISBN 1856173879; Elsevier Ltd., 2003 , Oxford, V. Lawlor, S. Griesser, G. Buchinger, A. Olabi, S. Cordiner, D. Meissner; Journal of Power Sources, 2009, Seiten 387–399 ).There are already concepts for high-temperature solid oxide fuel cells that are documented in the literature ( Fuel Cell Handbook 7th edition, EG & G Services, Inc. US Department of Energy, Fossil Energy Office, National Energy Technology Laboratory, Morgantown, West Virginia, November 2004 ; Handbook of Fuel Cells Fundamentals, Technology and Application, Wolf Vielstich, Hubert A. Gasteiger, Arnold Lamb, 2003 John Wiley & Sons, Ltd. ). Among them are tubular, planar and monolithic constructions of cells. A special case of the tubular construction is the so-called microtubular, which is characterized by an extraordinary stability against high temperature gradients and, associated therewith, a fast thermal cyclability. Moreover, their high surface-to-volume ratio also gives them an improved volumetric power density ( High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications; SC Singhal et al .; ISBN 1856173879; Elsevier Ltd., 2003 . Oxford, V. Lawlor, S. Griesser, G. Buchinger, A. Olabi, S. Cordiner, D. Meissner; Journal of Power Sources, 2009, pages 387-399 ).

Ein besonderes Problem liegt in dem Assembling einzelner tubularer SOFCs, wobei hier eine große Herausforderung im verlustarmen Stromabgriff der Zellen und in der Minimierung der ohmschen Verluste (zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Zelle) besteht. Zu beachten ist auch, dass, da die Spannung der einzelnen verschalteten Zellen thermodynamisch auf ca. 1 V begrenzt ist, zur Erreichung höherer Spannungen verlustreiche Spannungswandler eingesetzt oder die seriellen elektrischen Verschaltungen der Zellen vorgenommen werden müssen. Letzteres ist speziell bei tubularen Zellen im Vergleich zu planaren Zellen nicht einfach zu realisieren. Weiterhin spielt ein möglichst niedriges Gewicht zusammen mit einer kompakten Bauweise eine große Rolle bei der Verwendbarkeit von Stack-Strukturen.A particular problem lies in the assembling of individual tubular SOFCs, where there is a great challenge in the low-loss current tapping of the cells and in the minimization of the ohmic losses (to improve the efficiency of the cell). It should also be noted that since the voltage of the individual interconnected cells is thermodynamically limited to approximately 1 V, high-voltage transformers must be used to achieve higher voltages or the serial electrical interconnections of the cells must be made. The latter is not easy to realize, especially in tubular cells compared to planar cells. Furthermore, the lowest possible weight together with a compact design plays a major role in the usability of stack structures.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystemdesign zur Verfügung zu stellen, das einen verlustarmen Stromabgriff der Zellen und eine Minimierung ohmscher Verluste bei gleichzeitig geringem Gewicht und kleinem Volumen des Systems, der Beachtung einer guten Gasversorgung der Brennstoffzellen im Stack und guter Gasdichtigkeit ermöglicht.The object of the present invention is to provide a fuel cell system design which enables low-loss current tapping of the cells and a minimization of ohmic losses while at the same time low weight and small volume of the system, respecting a good gas supply of the fuel cells in the stack and good gas tightness.

Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems lassen sich den abhängigen Ansprüchen entnehmen. Die im Folgenden beschriebenen einzelnen Merkmale der Ausführungsbeispiele lassen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch unabhängig voneinander realisieren und müssen nicht unbedingt in genau den in den Beispielen dargestellten Merkmalskombinationen verwirklicht sein.This object is achieved by a fuel cell system according to claim 1. Further advantageous embodiments of a fuel cell system according to the invention can be taken from the dependent claims. The individual features of the exemplary embodiments described below can also be implemented independently of one another in the context of the present invention and need not necessarily be implemented in exactly the feature combinations illustrated in the examples.

Die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung ist wie folgt: Statt des Einbaus von Brennstoffzellen in einen kontinuierlichen, z. B. metallischen, Stack mit sehr langen Stromwegen und somit hohen ohmschen Verlusten sowie nur einigen wenigen, für gewöhnlich komplizierten Schaltungsmöglichkeiten, sind sie in kleineren Segmenten, die von einander elektrisch isoliert den kompletten Stack bilden, eingebaut. Diese Struktur eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten zum elektrischen Verschalten der Zellen und der Segmente untereinander, wie in den Beispielen und Ansprüchen gezeigt ist, die das Einstellen der Anzahl von parallel und/oder seriell elektrisch verschalteten Elementen möglich machen, so dass die Sollleistung und die Sollspannungen erreicht werden können und somit die Stromdichte bei dem Abgriff von den Segmenten so niedrig bleibt, dass die Stromleiter so klein und leicht wie möglich konstruiert werden können und gleichzeitig der Ausfall einer einzelnen Zelle oder eines einzelnen Kontakts nicht zu einem Totalausfall des Systems (aufgrund der möglichen elektrischen Parallelschaltung von mehreren Zellen in den Segmenten und/oder mehreren Segmenten in dem Stack) führt.The basic idea of the present invention is as follows: Instead of incorporating fuel cells into a continuous, e.g. As metallic, stack with very long current paths and thus high ohmic losses and only a few, usually complicated circuit options, they are in smaller segments that form the complete stack of electrically isolated from each other, built. This structure opens up a variety of possibilities for electrically interconnecting the cells and the segments with one another, as shown in the examples and claims, which make it possible to set the number of parallel and / or series electrically connected elements, such that the desired power and the desired voltages and thus the current density at the tap of the segments remains so low that the conductors can be constructed as small and as light as possible and at the same time the failure of a single cell or contact does not result in a total failure of the system (due to the possible failure) electrical parallel connection of multiple cells in the segments and / or multiple segments in the stack).

Die unterschiedlichen Anordnungen und Formen der Segmente führen zu einer optimalen Nutzung des Raums des Brennstoffzellenstacks, insbesondere wenn neben den Brennstoffzellen auch andere Komponenten wie etwa Brenner, Reformer oder Wärmetauscher in diese Struktur integriert sind. Mit dieser Struktur ist auch ein verbessertes Wärmemanagement der Brennstoffzellen, insbesondere von Hochtemperaturbrennstoffzellen, leichter zu verwirklichen. Mit der Trennung in Segmente kann die Gaszufuhr zu den einzelnen Segmenten parallel (kann nach Bedarf bei den einzelnen Segmenten auch unterschiedlich geregelt werden, zum Beispiel mittels Ventilen) oder relativ einfach auch seriell ausgeführt werden. Eine serielle Zuschaltung der Gase lässt eine verbesserte Treibstoffnutzung zu, und die Nutzung der elektrisch isolierenden strukturierten Segmente lässt das flexible Einstellen von verschiedenen Betriebsbedingungen wie etwa Arbeitsspannung und/oder Stromdichte entsprechend den elektrischen Zuschaltungsvarianten zu.The different arrangements and shapes of the segments lead to an optimal use of the space of the fuel cell stack, in particular if other components such as burners, reformers or heat exchangers are integrated into this structure in addition to the fuel cells. With this structure, also improved heat management of the fuel cells, especially of high-temperature fuel cells, is easier to realize. With the separation into segments, the gas supply to the individual segments can be parallel (can also be controlled differently depending on the individual segments, for example by means of valves) or relatively simply be carried out serially. A serial connection of the gases allows for improved fuel utilization, and the use of the electrically insulating structured segments allows the flexible setting of various operating conditions such as working voltage and / or current density according to the electrical connection variants.

Der Aufbau lässt sich wie folgt beschreiben: Brennstoffzellensystem mit mehreren tubularen, insbesondere mikrotubularen, Brennstoffzellen, insbesondere Festoxidbrennstoffzellen (SOFCs), aufweisend mindestens einen leitfähigen Träger oder Trägerabschnitt, der in mehrere elektrisch isolierte, in sich leitfähige Segmente unterteilt ist, wobei mindestens zwei der Segmente eine, vorteilhafterweise aber mehrere, Brennstoffzelle(n) aufweisen, die zumindest abschnittsweise so am Segment angeordnet und/oder in das Segment integriert ist/sind, dass eine ihrer Elektroden in elektrischem Kontakt mit dem Segment steht.The structure can be described as follows: Fuel cell system with a plurality of tubular, in particular microtubular, fuel cells, in particular solid oxide fuel cells (SOFCs), comprising at least one conductive carrier or Carrier section, which is subdivided into a plurality of electrically insulated, self-conductive segments, wherein at least two of the segments have one, but advantageously a plurality, fuel cell (s) which are at least partially arranged on the segment and / or integrated into the segment, one of its electrodes is in electrical contact with the segment.

Das Brennstoffzellensystem ist daher mit tubularen Brennstoffzellen, insbesondere SOFCs, so ausgestattet, dass der Stack in einzelne Segmente gesplittet ist.The fuel cell system is therefore equipped with tubular fuel cells, in particular SOFCs, so that the stack is split into individual segments.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den folgenden 1 bis 11 beschrieben und werden nun näher beschrieben.Preferred embodiments of the invention are as follows 1 to 11 described and will now be described in more detail.

Beispiel 1:Example 1:

1 zeigt einen Querschnitt (senkrecht zur Längsachse der Brennstoffzelle) durch ein SOFC-System bestehend aus mehreren parallel angeordneten mikrotubularen SOFCs (1a, 1b), welche (an ihren beiden Enden, vgl. 2) in einem leitfähigen Trägerabschnitt (links und rechts in 2 zwei Segmente (3a) und (3b)) eingebaut sind. Die beiden Trägerabschnitte (3) weisen jeweils zwei elektrisch leitfähige Segmente (3a, 3b) auf. Die beiden Segmente (3a, 3b) jedes Trägerabschnitts sind immer mit einer der Elektroden (Kathode oder Anode) der in den Segmenten eingebauten SOFCs elektrisch verbunden. 1 shows a cross section (perpendicular to the longitudinal axis of the fuel cell) through a SOFC system consisting of several parallel arranged microtubular SOFCs ( 1a . 1b ), which (at both ends, cf. 2 ) in a conductive support section (left and right in FIG 2 two segments ( 3a ) and ( 3b )) are installed. The two support sections ( 3 ) each have two electrically conductive segments ( 3a . 3b ) on. The two segments ( 3a . 3b ) of each beam portion are always electrically connected to one of the electrodes (cathode or anode) of the SOFCs incorporated in the segments.

Die beiden Segmente 3a, 3b jedes der Trägerabschnitte sind durch einen elektrischen Isolator (2) elektrisch voneinander isoliert.The two segments 3a . 3b each of the support sections are protected by an electrical insulator ( 2 ) are electrically isolated from each other.

Hier liegt eine elektrische Verbindung der innenliegenden Elektroden der SOFCs 1a (also in den in den Abschnitten (3a) eingebauten SOFCs) mit den elektrisch leitfähigen Segmenten (3a) und eine weitere elektrische Verbindung der äußeren Elektrode der SOFCs (1b) mit den Segmenten (3a) vor, während die inneren Elektroden der SOFCs (1b) ebenfalls elektrisch mit dem Segment (3b) verbunden sind, so dass es zu einer seriellen Verschaltung der Zellen (1a) und (1b) des Segments (3a) und (1b) von Segment (3b) kommt. Zwischen den inneren und äußeren Elektroden der Zellen ist stets ein Elektrolyt vorhanden, der ein Mischen der Gasatmosphäre der inneren und äußeren Elektroden sowie einen zellinternen Kurzschluss verhindert. Die innere Elektrode ist so ausgelegt, dass sie einen kleineren Durchmesser als der Elektrolyt aufweist, und die äußere ist so ausgelegt, dass sie einen größeren Durchmesser als der Elektrolyt aufweist. Dies bedeutet, dass die Brennstoffzelle jeweils mindestens eine innere Elektroden, den Elektrolyten, der die innere Elektrode zumindest abschnittsweise umgibt, und mindestens eine äußere Elektrode, die den Elektrolyten zumindest teilweise umgibt, besitzt.Here lies an electrical connection of the internal electrodes of the SOFCs 1a (ie in the sections ( 3a built-in SOFCs) with the electrically conductive segments ( 3a ) and another electrical connection of the outer electrode of the SOFCs ( 1b ) with the segments ( 3a ), while the inner electrodes of the SOFCs ( 1b ) also electrically connected to the segment ( 3b ), so that there is a serial interconnection of the cells ( 1a ) and ( 1b ) of the segment ( 3a ) and ( 1b ) of segment ( 3b ) comes. Between the inner and outer electrodes of the cells, an electrolyte is always present, which prevents mixing of the gas atmosphere of the inner and outer electrodes and a cell-internal short circuit. The inner electrode is designed to have a smaller diameter than the electrolyte, and the outer is designed to have a larger diameter than the electrolyte. This means that the fuel cell in each case has at least one inner electrode, the electrolyte which surrounds the inner electrode at least in sections, and at least one outer electrode which at least partially surrounds the electrolyte.

2 zeigt einen Querschnitt des SOFC-Systems gemäß 1 senkrecht zum in 1 gezeigten Querschnitt, Beide Enden der tubularen SOFCs (1a) sind in einen Trägerabschnitt (3a) eingebaut, und zwei Trägerabschnitte (3a) sind daher in der Längsrichtung der Zellen einander gegenüberliegend positioniert. Jeder der beiden elektrisch leitfähigen Trägerabschnitte (3a) ist mittels elektrischer Isolierung (2) von einem weiteren Trägerabschnitt (3b) getrennt, wobei Zellen (1b) in diese beiden Trägerabschnitte (3b) eingebaut sind und die beiden Trägerabschnitte (3b) in den Längsrichtungen der Zellen ebenfalls an gegenüberliegenden Enden der Zellen (1b) positioniert sind. (Zur Vereinfachung werden die beiden Trägerabschnitte (3a) zusammen genommen im Folgenden als Träger (3a) bezeichnet, gleiches gilt für die Abschnitte (3b)). Auf den SOFCs (1a, 1b) befindet sich außen eine äußere Elektrode (6) und darunter eine Elektrolytschicht mit einer inneren Elektrode 5. Die äußeren Elektroden (6) der Zellen (1b) sind mittels eines elektrischen Kontakts (4) zusammen elektrisch mit dem Träger (3a) verbunden, wobei der Träger (3a) wiederum elektrisch mit den inneren Elektroden der Zelle (1a) verbunden ist, wodurch eine serielle Verschaltung der Zellen (1a) und (1b) entsteht. Die hier dargestellte Anordnung von mehreren Zellen (Stacks) kann wiederum mit anderen Zellen anderer Stacks elektrisch und/oder fluidtechnisch kommunizieren. 2 shows a cross section of the SOFC system according to 1 perpendicular to the in 1 cross section shown, both ends of the tubular SOFCs ( 1a ) are in a carrier section ( 3a ), and two support sections ( 3a ) are therefore positioned opposite one another in the longitudinal direction of the cells. Each of the two electrically conductive support sections ( 3a ) is by means of electrical insulation ( 2 ) from a further carrier section ( 3b ), where cells ( 1b ) in these two carrier sections ( 3b ) are installed and the two support sections ( 3b ) in the longitudinal directions of the cells also at opposite ends of the cells ( 1b ) are positioned. (For simplicity, the two support sections ( 3a ) taken together as a carrier ( 3a ), the same applies to the sections ( 3b )). On the SOFCs ( 1a . 1b ) is an external electrode ( 6 ) and below an electrolyte layer with an inner electrode 5 , The outer electrodes ( 6 ) of the cells ( 1b ) are by means of an electrical contact ( 4 ) together electrically with the carrier ( 3a ), the carrier ( 3a ) in turn electrically with the inner electrodes of the cell ( 1a ), whereby a serial interconnection of the cells ( 1a ) and ( 1b ) arises. The arrangement of several cells (stacks) shown here can in turn communicate electrically and / or fluidically with other cells of other stacks.

Die im Folgenden beschriebenen beispielhaften Systeme sind im Grunde in gleicher Weise wie das in den 1 und 2 gezeigte System aufgebaut, so dass im Folgenden nur die Unterschiede beschrieben werden.The exemplary systems described below are basically the same as those in FIGS 1 and 2 shown system, so that in the following only the differences will be described.

Beispiel 2:Example 2:

3 zeigt einen Querschnitt eines SOFC-Systems analog zu 1. Die tubularen SOFCs (1) sind jedoch in einen elektrisch leitfähigen Träger (3a) eingebaut, welcher von dem anderen Träger (3b) durch eine durchgängige keramische Isolierung (2) getrennt ist, die sich in der Längsrichtung der Zellen erstreckt. Auf den Zellen befinden sich außen die äußeren Elektroden (6) und darunter die Elektrolytschichten mit den darunter liegenden inneren Elektroden (5). Die äußeren Elektroden (6) der Zellen (1b) sind elektrisch mit dem Träger (3a) durch einen elektrischen Kontakt (4) verbunden, wobei der Träger (3a) wiederum elektrisch mit den inneren Elektroden der Zellen (1a) verbunden ist, wodurch eine serielle Verschaltung der Zellen (1a) und (1b) entsteht. Dieser Kontakt (4) kann durch die Seite der Isolierungseinrichtung (2) und/oder durch entsprechende Löcher, Ausschnitte und/oder Fräsungen oder in ähnlicher Weise durch die Isolierungseinrichtung (2) geführt sein. 3 shows a cross section of an SOFC system analogous to 1 , The tubular SOFCs ( 1 ) are in an electrically conductive carrier ( 3a ), which from the other carrier ( 3b ) by a continuous ceramic insulation ( 2 ) which extends in the longitudinal direction of the cells. On the outside of the cells are the outer electrodes ( 6 ) and below the electrolyte layers with the underlying inner electrodes ( 5 ). The outer electrodes ( 6 ) of the cells ( 1b ) are electrically connected to the carrier ( 3a ) by an electrical contact ( 4 ), the carrier ( 3a ) in turn electrically with the inner electrodes of the cells ( 1a ), whereby a serial interconnection of the cells ( 1a ) and ( 1b ) arises. This contact ( 4 ) can pass through the side of the isolation device ( 2 ) and / or through corresponding holes, cutouts and / or millings or in similarly by the isolation device ( 2 ).

Beispiel 3:Example 3:

4 zeigt einen Querschnitt eines SOFC-Systems analog zu denen der 1 und 2. Die tubularen SOFCs (1) sind in einen elektrisch leitfähigen Träger (3a) eingebaut, welcher von dem anderen Träger (3b) durch eine durchgängige keramische Isolierung (2) getrennt ist, die sich in der Längsrichtung der Zellen erstreckt. Die Isolierung (2) ist ebenfalls gasdurchlässig und dient als Porenbrenner. Auf den Zellen befinden sich außen die äußeren Elektroden (6) und darunter die Elektrolytschichten mit den darunter liegenden inneren Elektroden (5). Die äußeren Elektroden (6) der Zellen (1b) sind elektrisch mit dem Träger (3a) durch einen elektrischen Kontakt (4) verbunden, wobei der Träger (3a) wiederum elektrisch mit den inneren Elektroden der Zellen (1a) verbunden ist, wodurch eine serielle Verschaltung der Zellen (1a) und (1b) entsteht. 4 shows a cross section of an SOFC system analogous to those of 1 and 2 , The tubular SOFCs ( 1 ) are in an electrically conductive carrier ( 3a ), which from the other carrier ( 3b ) by a continuous ceramic insulation ( 2 ) which extends in the longitudinal direction of the cells. The insulation ( 2 ) is also gas permeable and serves as a pore burner. On the outside of the cells are the outer electrodes ( 6 ) and below the electrolyte layers with the underlying inner electrodes ( 5 ). The outer electrodes ( 6 ) of the cells ( 1b ) are electrically connected to the carrier ( 3a ) by an electrical contact ( 4 ), the carrier ( 3a ) in turn electrically with the inner electrodes of the cells ( 1a ), whereby a serial interconnection of the cells ( 1a ) and ( 1b ) arises.

Beispiel 4:Example 4:

5 zeigt ein weiteres SOFC-System bestehend aus mehreren tubularen, vorzugsweise mikrotubularen, SOFCs (1), welche in einen leitfähigen Träger (3) eingebaut sind. Der Träger besteht aus vier Viertelkreisen. Die leitfähigen Träger sind hier bevorzugt mit einer der Elektroden der in den Träger eingebauten SOFCs elektrisch verbunden. Die vier Segmente 3a, 3b, 3c und 3d sind immer durch einen elektrischen Isolator (2) elektrisch voneinander isoliert. Durch entsprechende Verschaltungen sind die Zellen der jeweiligen Segmente parallel und/oder seriell elektrisch verschaltet, wobei die Verschaltung in solcher Weise ausgeführt ist, dass es keinen Kurzschluss von Anoden und Kathoden der gleichen Brennstoffzellen gibt. 5 shows another SOFC system consisting of several tubular, preferably microtubular, SOFCs ( 1 ), which are transformed into a conductive carrier ( 3 ) are installed. The carrier consists of four quarter circles. The conductive carriers are here preferably electrically connected to one of the electrodes of the SOFCs incorporated in the carrier. The four segments 3a . 3b . 3c and 3d are always by an electrical insulator ( 2 ) are electrically isolated from each other. By appropriate interconnections, the cells of the respective segments are electrically connected in parallel and / or in series, wherein the interconnection is carried out in such a way that there is no short circuit of anodes and cathodes of the same fuel cells.

Beispiel 5:Example 5:

6 zeigt ein weiteres SOFC-System bestehend aus mehreren tubularen, bevorzugt mikrotubularen, SOFCs (1), welche in einen leitfähigen Träger (3) wie im Beispiel 4 eingebaut sind. Die leitfähigen Träger sind hierbei bevorzugt mit einer der Elektroden, die in die SOFC-Träger eingebaut sind, elektrisch verbunden. Die Segmente (3a), (3b), (3c) und (3d) sind hierbei durch einen elektrischen Isolator (2) elektrisch voneinander isoliert. Durch entsprechende elektrische Verschaltung sind die Zellen der jeweiligen Segmente mit den Zellen der anderen Segmente parallel und/oder seriell verschaltet, wobei die Verschaltung so ausgeführt wird, dass es zu keinem Kurzschluss von Anoden oder Kathoden der gleichen Brennstoffzellen kommt. In der Mitte befindet sich somit von den Segmenten eingeschlossen und umgeben eine wärmeerzeugende oder wärmeaufnehmende Quelle. Alternativ oder zusätzlich kann/können eine oder mehrere dieser Quellen (7) erfindungsgemäß die Segmente (3) und Isolierungen (2) umschließen und/oder kann/können zwischen den Segmenten (3) positioniert sein. Eine Anordnung zwischen den Segmenten kann zum Beispiel so angeordnet sein, dass es zwischen den Segmenten (3) und den Isolatoren (2) keine vollständige Gasdichtheit gibt und dass es auf diese Weise zu einem Mischen der Atmosphären der inneren Elektroden (5) (z. B. reduzierend) und der Atmosphäre der äußeren Elektroden (6) (z. B. oxidierend) kommt und dass an diesen Punkten eine erwünschte Verbrennung des Treibstoffs (Verbrennungsgas) stattfindet. 6 shows another SOFC system consisting of several tubular, preferably microtubular, SOFCs ( 1 ), which are transformed into a conductive carrier ( 3 ) are installed as in Example 4. The conductive supports are in this case preferably electrically connected to one of the electrodes which are incorporated in the SOFC supports. The segments ( 3a ) 3b ) 3c ) and ( 3d ) are in this case by an electrical insulator ( 2 ) are electrically isolated from each other. By appropriate electrical interconnection, the cells of the respective segments are connected in parallel and / or in series with the cells of the other segments, wherein the interconnection is carried out such that there is no short circuit of anodes or cathodes of the same fuel cells. In the middle is thus enclosed by the segments and surrounded by a heat-generating or heat-absorbing source. Alternatively or additionally, one or more of these sources ( 7 ) according to the invention the segments ( 3 ) and isolations ( 2 ) and / or can / between the segments ( 3 ). For example, an array between the segments may be arranged to be interposed between the segments (FIG. 3 ) and the insulators ( 2 ) does not give complete gas tightness and that in this way it allows for mixing the atmospheres of the internal electrodes ( 5 ) (eg, reducing) and the atmosphere of the outer electrodes ( 6 ) (eg oxidizing) and that at these points a desired combustion of the fuel (combustion gas) takes place.

Beispiel 6:Example 6:

7 zeigt ein weiteres Beispiel analog zu 1, nur mit einer eckigen anstatt einer kreisförmigen Form (in einer Ebene vertikal zu der Längsachse der Zellen) und mit drei SOFCs pro Segment. 7 shows another example analogous to 1 , only with a square instead of a circular shape (in a plane vertical to the longitudinal axis of the cells) and with three SOFCs per segment.

Beispiel 7:Example 7:

8 zeigt ein weiteres Beispiel analog zu 1, nur mit einer eckigen anstatt einer kreisförmigen Form (in einer Ebene vertikal zu der Längsachse der Zellen) und mit zwei SOFCs pro Segment. 8th shows another example analogous to 1 , only with a square instead of a circular shape (in a plane vertical to the longitudinal axis of the cells) and with two SOFCs per segment.

Beispiel 8:Example 8:

9 zeigt einen mit 5 vergleichbaren Fall, wobei der gesamte Stack in zwei (vertikal zur Längsachse der Zellen gesehen) konzentrische, durch Isolatoren (2) getrennte Ringabschnitte unterteilt ist, wobei jeder der Ringabschnitte entlang des Umfangs (analog zu 5) wieder in vier leitfähige, durch Isolatoren (2) voneinander getrennte Ringsegmente unterteilt ist. Der Stack weist daher somit insgesamt acht einzelne leitfähige Segmente auf. 9 shows one with 5 comparable case, where the entire stack is concentric in two (seen vertically to the longitudinal axis of the cells), by insulators ( 2 ) is divided into separate ring sections, each of the ring sections along the circumference (analogous to 5 ) back into four conductive, through insulators ( 2 ) is separated from each other separated ring segments. The stack therefore has a total of eight individual conductive segments.

Je nach Anforderung können die Zellen der einzelnen Segmente seriell oder parallel verschaltet werden. Eine naheliegende Möglichkeit besteht in der parallelen Verschaltung der vier Zellen der inneren Segmente (8) mit vier Zellen eines der äußeren Segmente (9) und der weiteren seriellen Verschaltung dieser acht Zellen mit den Zellen in den übrigen drei äußeren Segmenten.Depending on the requirements, the cells of the individual segments can be connected in series or in parallel. An obvious possibility is the parallel interconnection of the four cells of the inner segments ( 8th ) with four cells of one of the outer segments ( 9 ) and the further serial connection of these eight cells with the cells in the remaining three outer segments.

Beispiel 9:Example 9:

10 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß 2, bei dem die Segmente (3a) und (3b) bezüglich der Gasversorgung der inneren Elektroden seriell verschaltet sind und die Zellen in jedem Segment elektrisch parallel verschaltet sind. Die Zufuhr des Gases (10) der inneren Elektroden der Zellen (1b), die in den Trägerabschnitt von Segmenten (3b) eingebaut ist, ist räumlich durch eine Abtrennung (13) einer Verlängerung der Isolierung (2) nach außen von dem Abgas der inneren Elektroden der Zellen (1a) in dem Trägerabschnitt oder Segment (3a) getrennt, in dem diese Struktur zum Erwärmen der eingespeisten Gase und zum Kühlen des Abgases verwendet wird. Der Gaskanal (11) an der gegenüberliegenden Seite des Gaseinlasses (10) und der Abgasauslass (14) verbindet die Zellen der unterschiedlichen Segmente (3a, 3b) fluidtechnisch, und hierbei wird das Abgas (12) der inneren Elektroden der Zelle (1b) des Segments (3b) zu den inneren Elektroden der Zellen des Segments (3a) eingespeist. Eine optimale Nutzung des Gases wird durch die fluidtechnische serielle Verschaltung der Zellen sichergestellt. Ferner kann in dem Bereich des Abgasauslasses (14) des Segments (3a) ein (nicht gezeigter) Brenner und in dem Bereich der Einlassleitung (10) ein (nicht gezeigter) Reformer eingebaut sein. 10 shows a fuel cell system according to 2 in which the segments ( 3a ) and ( 3b ) are connected in series with respect to the gas supply of the inner electrodes and the cells in each segment are electrically connected in parallel. The supply of the gas ( 10 ) of the internal electrodes of the cells ( 1b ), which are in the support section of segments ( 3b ) is spatially separated by a partition ( 13 ) an extension of the insulation ( 2 ) to the outside of the exhaust gas of the internal electrodes of the cells ( 1a ) in the support section or segment ( 3a ), in which this structure is used for heating the injected gases and for cooling the exhaust gas. The gas channel ( 11 ) on the opposite side of the gas inlet ( 10 ) and the exhaust outlet ( 14 ) connects the cells of the different segments ( 3a . 3b ) fluidically, and in this case the exhaust gas ( 12 ) of the inner electrodes of the cell ( 1b ) of the segment ( 3b ) to the inner electrodes of the cells of the segment ( 3a ) fed. Optimum use of the gas is ensured by the fluidic serial connection of the cells. Furthermore, in the region of the exhaust gas outlet ( 14 ) of the segment ( 3a ) a burner (not shown) and in the region of the inlet line ( 10 ) a (not shown) reformer be installed.

11 zeigt auch ein Brennstoffzellensystem entsprechend 2 und hierbei ist die Gasversorgung für beide Segmente (3a, 3b) parallel angeordnet und die jeweiligen Gasleitungen (15a) und (15b) besitzen Ventile (16a) und (16b), mittels derer die Gasversorgung für das jeweilige Segment gemäß der Solltemperatur und/oder den Materialien der Zellen und/oder der erwünschten Leistungserzeugung optimal eingestellt werden kann. In dem Abgasraum (17) an der gegenüberliegenden Seite der Zufuhrleitungen (15) des Stacks kann wiederum ein zusätzlicher Brenner eingebaut sein, wobei im Fall eines Brenners zusätzliches Gas zugeführt wird. In dem Fall, dass zum Beispiel das Abgas der inneren Elektrode (5) ein reduzierendes Gas ist (z. B. Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe, Alkohole), muss dann für den Brenner ein oxidierendes Gas, bevorzugt das Abgas der äußeren Elektrode (6), bereitgestellt werden. 11 also shows a fuel cell system accordingly 2 and here is the gas supply for both segments ( 3a . 3b ) arranged in parallel and the respective gas lines ( 15a ) and ( 15b ) have valves ( 16a ) and ( 16b ), by means of which the gas supply for the respective segment according to the set temperature and / or the materials of the cells and / or the desired power generation can be optimally adjusted. In the exhaust room ( 17 ) on the opposite side of the supply lines ( 15 ) of the stack may in turn be installed an additional burner, wherein in the case of a burner additional gas is supplied. In the case that, for example, the exhaust gas of the inner electrode ( 5 ) is a reducing gas (eg hydrogen, hydrocarbons, alcohols), then an oxidizing gas must be present for the burner, preferably the exhaust gas of the outer electrode ( 6 ), to be provided.

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Claims (18)

Brennstoffzellensystem mit mehreren tubularen, insbesondere mikrotubularen, Brennstoffzellen, insbesondere Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), umfassend mindestens einen elektrisch leitfähigen Träger (3) oder Trägerabschnitt, der in mehrere in sich elektrisch leitfähige Segmente (3a, 3b) unterteilt ist, wobei unterschiedliche Segmente voneinander elektrisch isoliert (2) sind und wobei mindestens zwei der Segmente jeweils mindestens eine, bevorzugt mehrere, Brennstoffzelle(n) (1a, 1b) umfassen, die zumindest abschnittsweise so am jeweiligen Segment (3a, 3b) angeordnet und/oder in das jeweilige Segment integriert ist/sind, dass jeweils eine ihrer Elektroden in elektrischem Kontakt mit dem jeweiligen Segment steht.Fuel cell system with a plurality of tubular, in particular microtubular, fuel cells, in particular solid oxide fuel cells (SOFC), comprising at least one electrically conductive carrier ( 3 ) or support section which is divided into a plurality of electrically conductive segments ( 3a . 3b ), wherein different segments are electrically isolated from each other ( 2 ) and wherein at least two of the segments each have at least one, preferably several, fuel cell (s) ( 1a . 1b ), which at least partially so on the respective segment ( 3a . 3b ) and / or integrated into the respective segment is / are that in each case one of its electrodes is in electrical contact with the respective segment. Brennstoffzellensystem nach dem vorhergehenden Anspruch mit genau zwei, vier, acht, sechzehn zweiunddreißig, vierundsechzig, einhundertundachtundzwanzig oder zweihundertundsechsundfünfzig elektrisch voneinander isolierten Segmenten, die im Querschnitt senkrecht zur Längsachse der zueinander parallel angeordneten Brennstoffzellen gesehen als regelmäßige Kreisflächensegmente oder Kreisringsegmente ausgebildet sind.Fuel cell system according to the preceding claim with exactly two, four, eight, sixteen thirty-two, sixty-four, one hundred and twenty-eight or two hundred and fifty-six electrically isolated segments, which are seen in cross-section perpendicular to the longitudinal axis of fuel cells arranged parallel to each other as regular circular surface segments or circular ring segments. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Segment die Form eines Kreissegments oder eines Ellipsensegments oder eines Polygons hat.Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein at least one segment has the shape of a circular segment or an elliptical segment or a polygon. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei, bevorzugt alle Segmente paarweise durch elektrische Isolatoren, insbesondere keramische Materialien, keramische Kleber und/oder Glaslote, voneinander isoliert sind.Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein at least two, preferably all segments in pairs by electrical insulators, in particular ceramic materials, ceramic adhesive and / or glass solders are isolated from each other. Brennstoffzellensystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens einer der Isolatoren gasdicht ausgebildet ist und/oder reversibel lösbar zwischen den Segmenten so fixiert ist, dass durch Lösen des Isolators die angrenzenden Segmente mit ihren eingebauten Brennstoffzellen aus dem Brennstoffzellensystem entnehmbar sind und/oder wobei mindestens einer der Isolatoren ein keramisches Fasermaterial, insbesondere Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Kalziumoxid, Siliciumoxid oder Zirkonoxid, umfasst oder daraus besteht, wobei bevorzugt eine Dichtwirkung aufgrund einer Druckkraft, welche das Fasermaterial zusammenpresst, erzeugbar ist.Fuel cell system according to the preceding claim, wherein at least one of the insulators is formed gas-tight and / or reversibly releasably fixed between the segments so that by releasing the insulator, the adjacent segments with their built-in fuel cells from the fuel cell system can be removed and or wherein at least one of the insulators comprises a ceramic fiber material, in particular aluminum oxide, magnesium oxide, calcium oxide, silicon oxide or zirconium oxide, or consists thereof, wherein preferably a sealing effect due to a compressive force which compresses the fiber material can be generated. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei angrenzend an oder in mindestens einem der Segmente oder zwischen mindestens zwei Segmenten eine wärmeerzeugende und/oder eine wärmeaufnehmende Komponente angeordnet ist, wobei bevorzugt die wärmeerzeugende oder wärmeaufnehmende Komponente als elektrischer Isolator ausgebildet ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein adjacent to or in at least one of the segments or between at least two segments, a heat-generating and / or heat-absorbing component is arranged, wherein preferably the heat-generating or heat-absorbing component is formed as an electrical insulator. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Segmente, bevorzugt alle Segmente, eine wärmeerzeugende Komponente und/oder eine wärmeaufnehmende Komponente umschließen und/oder wobei mehrere Segmente, bevorzugt alle Segmente, von einer wärmeerzeugenden und/oder einer wärmeaufnehmenden Komponente umschlossen sind.Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein a plurality of segments, preferably all segments, a heat-generating component and / or a heat-absorbing component enclose and / or wherein a plurality of segments, preferably all segments are enclosed by a heat-generating and / or a heat-absorbing component. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wärmeerzeugende Komponente eine Treibstoff oxidierende Komponente, ein Brenner, ein Reformer, ein Wärmetauscher und/oder eine mikrotubulare SOFC ist, mit der/dem bevorzugt Treibstoff zur Wärmeerzeugung verbrennbar ist, und/oder wobei die wärmeaufnehmende Komponente ein Reformer und/oder ein Wärmetauscher ist und/oder bevorzugt zur Verringerung der Außentemperatur des Systems ausgebildet ist, wobei bevorzugt ein Brenner und/oder ein Reformer mit einem Wärmetauscher als eine Komponente und/oder in einem Stück ausgebildet ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein the heat generating component is a fuel oxidizing component, a burner, a reformer, a heat exchanger and / or a microtubular SOFC with which preferably fuel for heat generation is combustible, and or wherein the heat-absorbing component is a reformer and / or a heat exchanger and / or is preferably designed to reduce the outside temperature of the system, wherein preferably a burner and / or a reformer is formed with a heat exchanger as a component and / or in one piece. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils die Kathode(n) der Brennstoffzelle(n) zumindest eines Segmentes mit der/den Anode(n) der Brennstoffzelle(n) zumindest eines anderen Segmentes elektrisch seriell verschaltet sind.Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein in each case the cathode (s) of the fuel cell (s) of at least one segment are electrically connected in series with the anode (s) of the fuel cell (s) of at least one other segment. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei mindestens einem der Segmente mehrere, bevorzugt alle Brennstoffzellen des Segments elektrisch parallel verschaltet sind.Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein in at least one of the segments a plurality, preferably all fuel cells of the segment are electrically connected in parallel. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in mindestens einem elektrischen Isolator zwischen Segmenten eine wärmeerzeugende oder wärmeaufnehmende Komponente integriert ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein in at least one electrical insulator between segments, a heat-generating or heat-absorbing component is integrated. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die inneren Elektroden der Brennstoffzellen zumindest eines Segments mit dem Abgas der inneren Elektroden der Brennstoffzellen zumindest eines anderen Segments versorgbar sind und/oder wobei die äußeren Elektroden der Brennstoffzellen zumindest eines Segments mit dem Abgas der äußeren Elektroden der Brennstoffzellen zumindest eines anderen Segments versorgbar sind. Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein the inner electrodes of the fuel cells of at least one segment with the exhaust gas of the inner electrodes of the fuel cells of at least one other segment are supplied and / or wherein the outer electrodes of the fuel cell at least one segment with the exhaust gas of the outer electrodes of the fuel cells at least one other segment can be supplied. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abgas einer Elektrode oder beider Elektroden mehrerer Brennstoffzellen, bevorzugt aller Brennstoffzellen, zumindest eines Segments einem Brenner zuführbar ist und/oder wobei das Produktgas eines Reformers einer Elektrode oder beiden jeweiligen Elektroden mehrerer Brennstoffzellen, bevorzugt aller Brennstoffzellen zumindest eines Segments zuführbar ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein the exhaust gas of an electrode or both electrodes of a plurality of fuel cells, preferably all fuel cells, at least one segment can be fed to a burner and or wherein the product gas of a reformer of an electrode or two respective electrodes of a plurality of fuel cells, preferably all fuel cells of at least one segment can be fed. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasversorgung einer Elektrode oder beider Elektroden der Brennstoffzellen mindestens eines Segments unabhängig von der Gasversorgung der Elektroden mindestens einer der Brennstoffzellen mindestens eines anderen Segments einstellbar ist und/oder wobei eine Gasversorgung einer wärmeerzeugenden und/oder wärmeaufnehmenden Komponente, die angrenzend an oder integriert in mindestens ein Segment ausgebildet ist, unabhängig von einer Gasversorgung einer wärmeerzeugenden und/oder wärmeaufnehmenden Komponente, die angrenzend zu oder integriert in mindestens ein anderes Segment ausgebildet ist, einstellbar ist und/oder unabhängig von der Gasversorgung von Elektroden von Brennstoffzellen mindestens eines anderen Segments einstellbar ist, wobei die getrennte Einstellung der Gasversorgungen zum Steuern der erzeugten Leistung und/oder zum Optimieren der Nutzung der gasförmigen Reaktanden und/oder zum Einstellen der Temperatur und/oder zum Steigern des Wirkungsgrads des Systems verwendbar ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein the gas supply to one electrode or both electrodes of the fuel cell at least one segment is independent of the gas supply to the electrodes of at least one of the fuel cell at least one other segment adjustable and or wherein a gas supply of a heat-generating and / or heat-absorbing component, which is formed adjacent to or integrated into at least one segment, independently of a gas supply of a heat-generating and / or heat-absorbing component, which is adjacent to or integrally formed in at least one other segment, is adjustable and / or independently of the gas supply to electrodes of fuel cells of at least one other segment, wherein the separate adjustment of the gas supplies for controlling the generated power and / or for optimizing the use of the gaseous reactants and / or for adjusting the temperature and / or Increase the efficiency of the system is usable. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei mehreren seriellen Verschaltungen von Brennstoffzellen unterschiedlicher Segmente in jedem Fall die gleiche Anzahl an Brennstoffzellen hintereinander geschaltet ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein in multiple serial interconnections of fuel cells of different segments in each case, the same number of fuel cells connected in series. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Ausnahme des vorhergehenden Anspruchs, wobei bei mehreren seriellen Verschaltungen von Brennstoffzellen unterschiedlicher Segmente nicht in jedem Fall die gleiche Anzahl an Brennstoffzellen hintereinander geschaltet ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims with the exception of the preceding claim, wherein in several serial interconnections of fuel cells of different segments not in each case, the same number of fuel cells connected in series. Brennstoffzellensystem nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die serielle Verschaltung von nicht in jedem Fall der gleichen Anzahl an Brennstoffzellen so ausgebildet ist, dass ein maximaler Stromfluss gewährleistet ist, indem berücksichtigt wird, dass die Brennstoffzellen der einzelnen Segmente aufgrund unterschiedlicher Materialien, unterschiedlicher Beschaffenheiten, unterschiedlicher Temperaturen, unterschiedlicher Konzentrationen der gasförmigen Reaktanden und/oder unterschiedlicher Gasdrücke unterschiedliche Stromdichten bei ein und derselben Spannung bereitstellen.Fuel cell system according to the preceding claim, wherein the serial interconnection of not in each case the same number of fuel cells is designed so that a maximum current flow is ensured by taking into account that the fuel cells of the individual segments due to different materials, different textures, different temperatures , different concentrations of the gaseous reactants and / or different gas pressures provide different current densities at one and the same voltage. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei elektrische Isolatoren zwischen leitfähigen Segmenten und solche Segmente formschlüssig und/oder kraftschlüssig ineinander steckbar sind und/oder wobei Isolatoren zwischen verschiedenen Segmenten einstückig hergestellt sind und bevorzugt auch Aussparungen und/oder Öffnungen umfassen, die zum Festhalten der Segmente ausgelegt sind.Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein electrical insulators between conductive segments and such segments are positively and / or non-positively plugged into one another and or wherein insulators are integrally formed between different segments and preferably also include recesses and / or openings designed to hold the segments.
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