DE60212503T2

DE60212503T2 - Flüssigkeitsverteilungsoberflächen für Festelektrolyt-Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE60212503T2
Application number: DE60212503T
Authority: DE
Inventors: Kevin R. Hilton Keegan
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2022-06-01
Also published as: EP1276162A1; DE60212503D1; EP1276162B1; US6773845B2; US20030003344A1

Description

HINTERGRUND
Alternative Transport-Brennstoffe haben sich als Möglichkeiten erwiesen, um giftige Emissionen im Vergleich zu jenen, die durch herkömmliche Brennstoffe erzeugt werden, zu verringern. Zugleich haben strengere Emissionsnormen und eine erhebliche Neuerung bei Katalysatorformeln und bei Motorsteuerungen zu drastischen Verbesserungen der Niedrigemissions-Leistungsfähigkeit und der Robustheit von Benzin- und Dieselmotorsystemen geführt. Dies hat die Unterschiede in der Umweltbelastung zwischen optimierten herkömmlichen Fahrzeugsystemen und Fahrzeugsystemen mit alternativen Brennstoffen zweifellos verringert. Es bleiben jedoch viele technische Herausforderungen, um den Verbrennungsmotor für herkömmlichen Brennstoff zu einem System mit nahezu keiner Emission zu machen, das die Wirksamkeit besitzt, die erforderlich ist, um das Fahrzeug kommerziell realisierbar zu machen.
Alternative Brennstoffe decken ein breites Spektrum von möglichen Umweltvorteilen ab, die von geringfügigen Verbesserungen von Gift- und Kohlendioxid-Emission (CO₂-Emission) (umformuliertes Benzin, Alkohole, flüssiges Petroleumgas usw.) bis zu erheblichen Verbesserungen der Gift- und CO₂-Emission (Erdgas, Dimethylether usw.) reichen. Wasserstoff ist eindeutig der ultimative Umweltbrennstoff mit dem Potential zu einem nahezu emissionsfreien Verbrennungsmotor-Brennstoff (einschließlich CO₂, wenn es aus einer nichtfossilen Quelle stammt). Leider ist die marktbasie rende Wirtschaftlichkeit von alternativen Brennstoffen oder von neuen Antriebssytemen kurz- bis mittelfristig unsicher.
Die Kraftfahrzeugindustrie hat sowohl bei den angeordneten Prüfverfahren als auch in der "realen Welt" außerordentliche Fortschritte bei der Verringerung von Kraftfahrzeug-Emissionen gemacht. Dies hatte geringfügig erhöhte Kosten und Komplexität von Motormanagementsystemen zur Folge, diese Kosten werden jedoch durch weitere Vorteile von Computersteuerungen aufgewogen: verbesserte Leistungsdichte, Brennstoffnutzung, Fahrverhalten, Zuverlässigkeit und Echtzeit-Diagnose.
Zukünftige Initiativen, emissionsfreie Fahrzeuge zu fordern, scheinen zu einem neuen Regel-Paradigma zu führen, bei dem asymptotisch kleiner werdende Umweltvorteile mit sehr stark zunehmenden Kosten einhergehen. Sogar ein Fahrzeug, das mit "außerordentlich geringer Emission" zertifiziert ist, kann unter eingeschränkten extremen Umgebungs- und Betriebsbedingungen oder mit fehlerhaften oder degenerierten Komponenten hohe Emissionen ausstoßen.
Ein Ansatz, der auf das Emissions-Thema gerichtet ist, ist die Nutzung von Brennstoffzellen, insbesondere von Festoxidbrennstoffzellen ("SOFC") in einem Kraftfahrzeug. Eine Brennstoffzelle ist eine Energieumsetzungsvorrichtung, die Elektrizität und Wärme erzeugt, indem ein gasförmiger Brennstoff wie etwa Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder ein Kohlenwasserstoff und ein Oxidationsmittel wie etwa Luft oder Sauerstoff über einen Ionen leitenden Elektrolyten elektrochemisch kombiniert werden. Die Brennstoffzelle setzt chemische Energie in elektrische Energie um. Eine Brennstoffzelle besteht im Allgemeinen aus zwei Elektroden, die an gegenüberliegenden Seiten eines Elektrolyten angeordnet sind. Das Oxidationsmittel strömt über die Sauerstoffelektrode (Katode), während der Brenn stoff über die Brennstoffelektrode (Anode) strömt, wodurch Elektrizität, Wasser und Wärme erzeugt werden.
SOFCs sind vollständig aus Festkörper-Materialen hergestellt, wobei eine Ionen leitenden Oxidkeramik als Elektrolyt genutzt wird. Eine herkömmliche elektrochemische Zelle in einer SOFC besteht aus einer Anode und einer Katode mit einem dazwischen angeordneten Elektrolyt. In einer typischen SOFC fließt ein Brennstoff zu der Anode, bei der er durch Sauerstoffionen von dem Elektrolyten oxidiert wird, wobei er Elektronen erzeugt, die an die äußere Schaltung abgegeben werden, und zumeist werden Wasser und Kohlendioxid in dem Brennstofffluss-Strom entfernt. Bei der Katode nimmt das Oxidationsmittel Elektronen von der äußeren Schaltung auf, um Sauerstoffionen zu bilden. Die Sauerstoffionen wandern über den Elektrolyt zu der Anode. Der Elektronenfluss durch die äußere Schaltung liefert eine verbrauchbare oder speicherbare Elektrizität. Jede einzelne elektrochemische Zelle erzeugt jedoch eine relativ kleine Spannung. Höhere Spannungen werden erzielt, indem eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen miteinander in Reihe geschaltet werden, um einen Stapel zu bilden.
Der SOFC-Zellenstapel enthält außerdem Leitungen oder Verteiler, um einen Durchlass des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in den Stapel und von Nebenprodukten sowie von überschüssigem Brennstoff und Oxidationsmittel aus dem Stapel heraus zu ermöglichen. Im Allgemeinen wird bei bestimmtem Zellenkonstruktionen ein Oxidationsmittel dem Aufbau von einem Verteiler zugeführt, der an einer Seite des Stapels angeordnet ist, während Brennstoff von einem Verteiler geliefert wird, der an einer angrenzenden Seite des Stapels angeordnet ist. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden im Allgemeinen durch die Verteiler gepumpt. Von den Verteilern werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel getrennt zu Fluidverteilungsflächen an einem geeigneten Aufbau wie etwa an einer Verbindung zwischen Zellen oder an einer Endabdeckung eingeleitet. Die Fluidverteilungsflächen sind in Fluidverbindung mit der passenden Elektrode angeordnet, wobei der SOFC-Wirkungsgrad zum Teil mit der Fluidverteilung über der Oberfläche der Elektrode zusammenhängt. Übliche Fluidverteilungsflächen, insbesondere für eine Brennstoffelektroden-Fluidverteilung, enthalten poröse Materialien wie etwa Metallfilze oder Metallschaum mit einem geeigneten Hohlraumvolumen, um einen Fluiddurchlass von einem oder mehreren Einlassverteilern zu einem oder mehreren Auslassverteilern zu ermöglichen.
Üblicherweise wird Brennstoff an der Kante der Verbindung eingeleitet und reagiert mit der Elektrode. Bei bestimmten Systemen, beispielsweise wenn der Brennstoff Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, erzeugt die Anodenreaktion im Allgemeinen Elektronen und Wasser. Der kontinuierliche Brennstoffstrom enthält folglich ferner Wasser. Folglich können bestimmte Bereiche der Elektrode einer verringerten Brennstoffaussetzung unterworfen oder unversorgt sein. Ferner werden bei bestimmten herkömmlichen Konstruktionen wie etwa bei jenen, die Metallfilz oder Metallschaum nutzen, weniger als etwa 25% des Wasserstoffs in dem Einlass-Brennstoffstrom durch die Brennstoffelektrode verbraucht. Dies hat schädliche Auswirkungen auf die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung über der Elektrode. Diese Unzulänglichkeiten führen zu einer Brennstoffverschwendung und zu Sauerstoffbildung, was schädliche Auswirkungen auf die Zellenleistungsfähigkeit hat.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung schafft einen Elektrodenfluidverteiler für eine SOFC, wie es in Anspruch 1 beschrieben ist. Die Erfindung schafft außer dem ein Verfahren zum Bewegen von Brennstoffgas in einer SOFC, wie es in Anspruch 13 definiert ist.
Diese und weitere Merkmale gehen aus der folgenden Kurzbeschreibung der Zeichnung, der ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnung hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
In den Figuren, die als Beispiel und nicht als Beschränkung dienen, werden ähnliche Elemente in den einzelnen Figuren ähnlich nummeriert.
1 ist eine vergrößerte isometrische Ansicht einer SOFC;
2 ist ein Schema des Betriebs einer SOFC;
3 ist eine Teil-Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Fluidverteilungssystems;
4 ist eine isometrische Teilansicht eines Fluiddurchgangs, der in dem Fluidverteilungssystem von 3 genutzt wird;
5 ist eine Schnittansicht längs der Linien 5-5 in 4;
6 ist eine Schnittansicht längs der Linien 6-6 in 4;
7 ist eine Teil-Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Fluidverteilungssystems;
8 ist eine Teil-Draufsicht einer nochmals weiteren Ausführungsform eines Fluidverteilungssystems;
9 ist eine Teil-Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Fluidverteilungssystems;
10 ist ein Schema eines SOFC-Systems, das das Fluidverteilungssystem enthält; und
11 ist ein Schema eines weiteren SOFC-Systems, das das Fluidverteilungssystem enthält.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es existieren verschiedene Typen von SOFC-Systemen, einschließlich Röhren- oder planaren Systemen. Obwohl sie mit verschiedenen Zellenkonstruktionen arbeiten, haben diese verschiedenen Systeme eine ähnliche Funktionalität. Folglich ist eine Referenz auf eine bestimmte Zellenkonstruktion und auf bestimmte Komponenten zur Nutzung in einer bestimmten Zellenkonstruktion dazu gedacht, gegebenenfalls auch ähnliche Komponenten in anderen Zellenkonstruktionen zu repräsentieren.
Im Allgemeinen kann das System wenigstens eine SOFC, einen Motor, einen oder mehrere Wärmetauscher und bei Bedarf einen oder mehrere Kompressoren, eine Austragsturbine, einen katalytischen Umsetzer, eine Vorheizvorrichtung, ein Plasmatron, elektrische Quellen (z. B. Batterie, Kondensator, Motor/Generator, Turbine und dergleichen sowie Kombinationen, die zumindest eine der zuvor genannten elektrischen Quellen umfassen) und herkömmliche Verbindungen, Verkabelung, Steuerungsventile, und eine Vielzahl von elektrischen Lasten, die Lichter, Widerstands heizer, Gebläse, Klimaanlagenkompressoren, Startermotoren, Fahrmotoren, Computersysteme, Radio-/Stereosysteme und eine Vielzahl von Sensoren und Aktuatoren und dergleichen sowie herkömmliche Komponenten enthalten können, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
Eine Konstruktion einer SOFC umfasst einen Stapel planarer SOFCs. Ein elektrochemischer Zellenstapel 10 ist in 1 veranschaulicht. Eine Brennstoffelektrode oder Anode 30 und eine Sauerstoffelektrode oder Katode 50 sind an entgegengesetzten Seiten eines Festkörperelektrolyten 40 angeordnet. Eine Endabdeckung 20 weist eine Oberfläche 22 auf, die so konstruiert ist, dass sie sowohl für einen elektrischen Kontakt als auch zum Erzeugen einer Brennstoffverteilung angrenzend an die Anode 30 angeordnet ist. Eine Verbindung 24 enthält eine erste Verbindungsfläche 26 und eine zweite Verbindungsfläche 28. Die Fläche 26 ist so konstruiert, dass sie zum Erzeugen einer Oxidationsmittelverteilung und eines elektrischen Kontakts angrenzend an die Katode 50 angeordnet ist, und die Oberfläche 28 ist so konstruiert, dass sie angrenzend an eine Anode 32 einer weiteren SOFC angeordnet ist. Die Anode 32 ist angrenzend an die Verbindung 24 angeordnet, um die Anordnung und die Möglichkeit zum Stapeln von mehreren elektrochemischen Zellen, die mit der elektrochemischen Zelle 10 verbunden sind, zu veranschaulichen.
Der Festkörperelektrolyt 40 der elektrochemischen Zelle 10 kann ein Ionenleiter sein, der Sauerstoffionen von der Katode 50 zu der Anode 30 transportieren kann und der mit der Umgebung kompatibel ist, in der die SOFC genutzt wird (z. B. Temperaturen von etwa –40°C bis zu etwa 1000°C). Im Allgemeinen umfassen Festkörperelektrolyt-Materialen herkömmliche Materialen wie etwa Keramiken und/oder Metalle (z. B. Legierungen, Oxide, Gallat und dergleichen), einschließlich Zirkon, Yttrium, Kalzium, Magnesium, Aluminium, Seltenerden und dergleichen, sowie Oxide, Gallate, Aluminate, Kombinationen und Komposite, die zumindest eines der zuvor genannten Materialen enthalten. Vorzugsweise besteht der Elektrolyt aus einem Seltenerden-Oxid (wie etwa Yttrium, Gadolinum, Neodym, Ytterbium, Kalzium, Erbium, Cer und dergleichen), das mit einem aliovalenten Oxid, bzw. mit aliovalenten Oxiden (wie etwa Magnesium, Kalzium, Strontium und dergleichen, und anderen ⁺2-valenten Metalloxiden) dotiert ist.
Die Anode 30 und die Katode 50, die mit dem Elektrolyt 40 Phasengrenzen bilden (Gas/Elektrolyt/Katalysatorpartikel; die üblicherweise als Tripelpunkte bekannt sind), können angrenzend an den Elektrolyt 40 angeordnet oder einteilig mit diesem sein. Die Anode 30 und die Katode 50 sind im Allgemeinen aus einem porösen Material hergestellt, das als ein elektrischer Leiter dienen kann und das die geeigneten Reaktionen unterstützen kann. Die Porosität dieser Materialien sollte ausreichend sein, um einen in zwei Richtungen gerichteten Strom von Gasen zu ermöglichen (z. B. um den Brennstoff oder Oxidationsmittelgase einzulassen und um zu ermöglichen, dass die Nebenproduktgase austreten), wobei eine Porosität von etwa 20% bis zu etwa 40% üblicherweise bevorzugt wird.
Die Zusammensetzung der Anode 30 und der Katode 50 kann Elemente wie etwas Zirkon, Yttrium, Nickel, Magnesium, Strontium, Lanthan, Eisen und Kobalt, Samarium, Kalzium, Praseodym und Oxide, Legierungen und Kombinationen enthalten, die zumindest eines der zuvor genannten Elemente enthalten. Vorzugsweise ist das Anodenmaterial für eine thermische Kompatibilität auf einem keramischen Skelett ausgebildet, wie etwa Nickeloxid-Yttrium-stabilisiertes Zirkon und dergleichen.
Die Anode 30 und/oder die Katode 50 können auf dem Elektrolyten 40 durch eine Vielzahl von Techniken gebildet werden, unter anderem ein schließlich Sputtern, Gasphasenabscheidung (CVD), Drucken, Sprühen, Tauchen, Malen und Schablonieren. Die Elektroden werden üblicherweise in einer Dicke von etwa 10 bis zu etwa 1000 Mikrometer oder dergleichen hergestellt. Im anodengestützten Fall hat die Anode vorzugsweise eine Dicke von etwa 1000 Mikrometer, der Elektrolyt hat eine Dicke von etwa 10 Mikrometern, und die Katode hat eine Dicke von etwa 40 Mikrometern.
Die elektrochemische Zelle 10 kann mit weiteren elektrochemischen Zellen beispielsweise durch die Verwendung einer Verbindung 24 elektrisch verbunden werden. Abhängig von der Geometrie der SOFC strömen der Brennstoff und das Oxidationsmittel über die Durchgänge der Endabdeckung 20 und der Verbindung 24 durch die elektrochemische Zelle 10. Die Endabdeckung 20 und die Verbindung 24 sind im Allgemeinen aus einem Material gebildet, das den Drücken und Temperaturen der SOFC standhalten kann, und das elektrisch leiten kann. Beispielsweise können geeignete Endabdeckungen und Verbindungen in der Form von Matten und Fasern (gehackt, verwebt, nicht verwebt, lang und dergleichen) sein, die den Kraftfahrzeug-Betriebsbedingungen (z. B. Temperaturen von etwa –40°C bis zu 1000°C) standhalten können, und die ein elektrisch leitendes Material sind, das mit der oxidierenden oder reduzierenden Art der Brennstoffzellenumgebung kompatibel ist. Einige mögliche Endabschüsse und Verbindungen können Materialien wie etwa Silber, Kupfer, eisenhaltige Materialien, Strontium, Lanthan, Chrom, Verchromtes, Gold, Platin, Palladium, Nickel, Titan, leitfähige Keramiken (z. B. dotierte Seltenerden-Oxide von Chrom, Magnesium, Kobalt, Nickel und dergleichen, dotiertes Zirkon einschließlich Titan-dotiertes Zirkon, Kupfer und dergleichen) und dergleichen, sowie Legierungen, Oxide, Cermets, Komposite und Kombinationen sein, die zumindest eines der zuvor genannten Materialien enthalten.
Jede einzelne elektrochemische Zelle 10, die eine einzige Anode 30, einen einzigen Elektrolyt 40 und eine einzige Katode 50 enthält, erzeugt eine relativ kleine Spannung, im Allgemeinen von etwas 0,5 bis etwa 1,1 Volt. Höhere Spannungen werden erzielt, indem eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen in Reihe geschaltet werden, um einen Stapel zu bilden. Die Gesamtanzahl von Zellen, die einen Stapel bilden, kann von 2 bis zu mehreren Hundert reichen, abhängig von Leistungsanforderungen, Platz- und Gewichtsbeschränkungen, Wirtschaftlichkeit und dergleichen.
Die Abmessungen der jeweiligen Zelle können sich im Allgemeinen abhängig von den Platzanforderungen und der gewünschten Ausgangsleistung ändern. Im Allgemeinen können SOFCs in Bereichen, die von einer mikroskopischen Größenordnung, bei der die jeweilige Zelle eine Fläche von mehreren Quadratmikrometern hat, bis zur Größenordnung einer industriellen Stromerzeugung reichen, wie etwa in einem Kraftwerk, in dem die jeweilige Zelle eine Fläche von mehreren Quadratmetern hat, genutzt werden. Besonders nützliche Abmessungen für SOFCs, die in Kraftfahrzeuganwendungen genutzt werden, sind etwa 50 bis etwa 200 Quadratzentimeter pro Zelle (cm²/Zelle), diese Abmessungen können sich selbstverständlich in Abhängigkeit von verschiedenen Designüberlegungen ändern.
Im Betrieb erzeugt die elektrochemische Zelle 10 einen Stromfluss, wie es durch Stromflusspfeile 60, 60' in 2 veranschaulicht ist. Oxidationsmittelgase wie etwa Sauerstoff oder Luft können in die Katodenseite der Zelle eingeleitet werden, wobei sie wie es durch die Oxidationsmittelfluss-Pfeile 64, 64', und 64'' veranschaulicht ist, fließen. Das Oxidationsmittel nimmt die fließenden Elektronen (e^–) auf und setzt sie in Sauerstoffionen (O^2–) um, die durch den Elektrolyten 40 zu der Anode 30 diffundieren, wie es in der folgenden Reaktion dargestellt ist: O₂ + 4 e^– → 2 O^2–
Bei der Anode reagieren die Sauerstoffionen mit einem Brennstoff, wie etwa Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan, weitere Kohlenwasserstoffe, oder mit einer Kombination, die zumindest einen der zuvor genannten Brennstoffe enthält, der in die elektrochemische Zelle 10 eingeleitet wird, wie es durch die Brennstoffflusspfeile 62, 62' und 62'' veranschaulicht ist. Die Reaktion des Brennstoffes mit den Sauerstoffionen erzeugt Elektronen (e^–), die außerhalb der elektrochemischen Zelle 10 zu der äußeren Schaltung 70 und zurück zu der Katode 50 fließen. Die Brennstoff/Sauerstoffionen-Reaktion wird in den folgenden Reaktionen dargestellt: H₂ + O^2– → H₂O + 2 e^– (wenn der Brennstoff Wasserstoff ist) CO + O^2– → CO₂ + 2 e^– (wenn der Brennstoff Kohlenmonoxid ist) CH₄ + 4 O^2– → 2 H₂O + CO₂ + 8 e^– (wenn der Brennstoff Methan ist)
Nicht reagierter Brennstoff und Nebenprodukte wie etwa Wasser und Kohlenmonoxid verlassen die elektrochemische Zelle 10 in dem Brennstoffstrom, wie es durch den Brennstoffstrompfeil 66 gezeigt ist, während überschüssiges Oxidationsmittel die elektrochemische Zelle 10 so verlässt, wie es durch den Oxidationsmittelstrompfeil 68 veranschaulicht ist.
Grundsätzlich leitet der Elektrolyt 40 diese Sauerstoffionen (O^2–) zwischen der Anode 30 und der Katode 50, wobei er ein elektrisches Gesamtladungsgleichgewicht aufrechterhält. Der Kreislauf von fließenden Elektronen (e^–) von der Anode 30 durch die äußere Schaltung 70 zu der Katode 50 erzeugt elektrische Energie, die genutzt werden kann. Diese elektrische Energie kann durch das Fahrzeug direkt genutzt werden, um verschiedene elektrische Teile mit Leistung zu versorgen, die unter anderem Lichter, Widerstandsheizer, Gebläse, Klimaanlagenkompressoren, Startermotoren, Fahrmotoren, Computersysteme, Radio-/Stereosysteme und eine Vielzahl von Sensoren und Aktuatoren umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Im Gegensatz zu Elektrizität, die in herkömmlichen Motorfahrzeugen erzeugt wird, ist die durch die SOFC erzeugte Elektrizität ein direkter Strom, der auf die übliche Systemspannung des Fahrzeugs abgestimmt werden kann. Dies minimiert oder vermeidet den Bedarf an Vorrichtungen wie etwa Dioden, Spannungsumsetzung und weitere Verluste, wie etwa Widerstandsverluste in der Verkabelung und im Ein-/Ausgang der Batterie, die herkömmlichen Fahrzeugsystemen und herkömmlichen elektrischen Hybridsystemen zugeordnet sind. Diese hoch wirksame Elektrizität ermöglicht eine Elektrifizierung des Fahrzeugs einschließlich Funktionen wie etwa eine Klimatisierung und weitere, während sie Gewichts-, Brennstoffwirtschaftlichkeits- und Leistungsvorteile im Vergleich zur herkömmlichen elektrischen Hybridmechanisierung und zu herkömmlichen Verbrennungsmotorsystemen ermöglicht.
Während des Startens und zum Heizen des Fahrgastraums kann die SOFC bei hohen adiabatischen Temperaturen betrieben werden, z. B. bis zu 1000°C, die Katalysatorgrenzen unterworfen sind, wobei typische Betriebstemperaturen im Bereich von etwa 600°C bis etwa 900°C, und vorzugsweise im Bereich von etwa 650°C bis etwa 800°C liegen. Folglich wird vorzugsweise zumindest ein Wärmetauscher genutzt, um den SOFC-Ausfluss zu kühlen, und umgekehrt die Luft zu erwärmen, bevor sie in die SOFC eindringt, wobei im Allgemeinen herkömmliche Wärmetauscher genutzt werden.
Der in dem System genutzte Brennstoff wird üblicherweise auf der Basis der Anwendung und dem Aufwand, der Verfügbarkeit und Umweltbetrachtungen in Bezug auf den Brennstoff gewählt. Mögliche Brennstoffe umfassen herkömmliche Brennstoffe wie etwa Kohlenwasserstoff-Brennstoffe, die herkömmliche Flüssigbrennstoffe wie etwa Benzin, Diesel, Ethanol, Methanol, Kerosin und weitere umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind; herkömmliche gasförmige Brennstoffe wie etwa Erdgas, Propan, Butan und weitere; und Alternativen oder "neue" Brennstoffe wie etwa Wasserstoff, Biobrennstoffe, Fischer Tropch, Dimethylether und weitere; und jede beliebige Kombination, die zumindest einen der zuvor genannten Brennstoffe umfasst. Der bevorzugte Brennstoff basiert üblicherweise auf dem Typ des genutzten Motors, wobei leichtere Brennstoffen, d. h. jene, die einfacher verdampft werden können und/oder herkömmliche Brennstoffe, die für die Verbraucher leicht verfügbar sind, im Allgemeinen bevorzugt werden.
Ferner kann der Brennstoff für die SOFC in einem Reformer bearbeitet werden. Im Allgemeinen setzt ein Reformer eine Brennstoffart in einen Brennstoff um, der von der SOFC genutzt werden kann (z. B. Wasserstoff). Hauptsächlich werden zwei Typen von Reformertechnologien genutzt, Dampfreformer, die eine exotherme Reaktion nutzen, und Teiloxidationsreformer, die eine endotherme Reaktion nutzen. Die Dampfreformertechnologie wird im allgemeinen für eine Umsetzung von Methanol in Wasserstoff genutzt. Teiloxidationsreformer werden im Allgemeinen zum Umsetzen von Benzin in Wasserstoff genutzt. Übliche Erwägungen für die Reformer beinhalten einen schnellen Start, dynamische Antwortzeit, Brennstoff-Umsetzungswirksamkeit, Größe und Gewicht.
Die SOFC kann in Verbindung mit einem Motor genutzt werden, beispielsweise um eine Zugleistung für ein Fahrzeug zu erzeugen. Mit dem Motor können der SOFC-Ausfluss, Luft und/oder Brennstoff verbrannt werden.
Ein Elektrodenfluidverteiler, der beispielsweise ein Abschnitt eines Endaufbaus oder eine Verbindung (oder eine Oberfläche davon in dem Beispiel eines planaren Zellsystems) sein kann, wird hier geschaffen. Der Verteiler ist so konfiguriert, dass er nicht versorgte Bereiche der Brennstoffelektrode minimiert, vorzugsweise indem er für einen im Wesentlichen gleichmäßigen Brennstofffluss zu der Elektrode sorgt. Eine Sauerstoffbildung bei den unterversorgten Bereichen der Brennstoffelektrode kann wegen eines überhöhten Sauerstoffpartialdrucks bei den örtlichen Bereichen der Brennstoffelektrode entstehen (d. h. der Partialdruck der Sauerstoffionen, die von der Katode durch den Elektrolyten zu der Anode diffundieren). Während eines Betriebs der Zelle wird der Sauerstoffpartialdruck durch den Brennstoff ausgeglichen, insbesondere durch den Wasserstoff, der mit den Sauerstoffionen reagiert. Eine Oxidbildung erfolgt außerdem zum Teil wegen der Temperatur bei der Elektrode, wobei eine erhöhte Temperatur zu einer erhöhten Oxidbildung führen kann. Folglich können bei Bereichen der Elektrode, die mit Wasserstoff unterversorgt sind, die vorzugsweise mit dem gegenwärtigen Elektrodenfluidverteiler minimiert werden, die Sauerstoffionen eher mit dem Material der Elektrode anstelle mit Wasserstoff reagieren, wodurch folglich eine Oxidbildung verstärkt wird. Vorzugsweise beträgt in einer Zelle, die eine Nickelelektrode verwendet, der Sauerstoff-Partialdruck weniger als oder etwa gleich 10^–14 Atmosphären, um Oxidbildung zu verhindern.
Zusätzlich wird vorzugsweise der Temperaturgradient über der Elektrode durch den gegenwärtigen Elektrodenfluidverteiler minimiert. In Bereichen mit höherem Brennstoffverbrauch wird eine höhere Leistung erzeugt, was eine Erzeugung von höheren Temperaturen zur Folge hat. Dies wird zum Teil durch eine Wärmeableitung ausgeglichen, die bei Bereichen mit höherem Fluidfluss größer ist.
Ferner ist der Elektrodenfluidverteiler so konstruiert, dass er die Brennstoffnutzung in der Zelle im Vergleich zu SOFCs, die den gegenwärtigen Elektrodenfluidverteiler nicht nutzen, maximiert. Beispielsweise werden in einer Zelle mit niedrigem Ausgangsstrom (z. B. eine Last von etwa 12 Ampere) in SOFCs, die nicht den gegenwärtigen Elektrodenfluidverteiler nutzen, lediglich etwa 25% des Wasserstoffs in dem Brennstoffeinlassstrom in Wasser umgewandelt. Folglich ermöglicht der gegenwärtige Elektrodenfluidverteiler vorzugsweise mehr als etwa 25% Wasserstoffumsetzung bei einer Last von etwa 12 Ampere, weiter bevorzugt mehr als etwa 30% Wasserstoffumsetzung bei einer Last von etwa 12 Ampere, nochmals weiter bevorzugt mehr als etwa 50% Wasserstoffumsetzung bei einer Last von etwa 12 Ampere, und besonders bevorzugt mehr als etwa 70% Wasserstoffumsetzung bei einer Last von etwa 12 Ampere.
Bezüglich der Details des Aufbaus, die beispielhaft und nicht einschränkend sein sollen, umfasst der gegenwärtige Elektrodenfluidverteiler im Allgemeinen zumindest einen Fluiddurchgang mit einer Vielzahl von benachbarten Segmentpaaren zur Anordnung unmittelbar bei einer Elektrode einer Brennstoffzelle. Jedes Segmentpaar umfasst ein Einlasssegment und ein angrenzendes Auslasssegement. Die Einlasssegmente stehen mit einem Einlass des Elektrodenfluidverteilers in Fluidverbindung, und die Auslasssegmente stehen mit einem Auslass des Elektrodenfluidverteilers in Fluidverbindung. Eine Ablenkeinrichtung ist zwischen angrenzenden Einlass- und Auslasssegmenten angeordnet. Jedes Einlasssegment steht mit angrenzenden Einlasssegmenten und mit angrenzenden Auslasssegmenten in Fluidverbindung. Ferner steht jedes Auslasssegment mit angrenzenden Auslasssegmenten in Fluidverbindung.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Fluiddurchgang mit einer Länge konstruiert werden, die größer ist als die längste Abmessung des Verteilers. Um diese Länge bereitzustellen, kann der Fluiddurchgang ein Kanal sein, der eine einzige Biegung oder mehrere Biegungen aufweist. Wenn die Elektrodenfläche, auf der das Fluid verteilt werden soll, beispielsweise im Wesentlichen lang und schmal ist, kann eine einzige oder eine Doppelbiegung in dem Durchgang geeignet sein, während eine Elektrodenfläche, die breiter ist, eine Vielzahl von Biegungen aufweisen kann.
Die Biegung oder Biegungen des Kanals können sich außerdem ändern, wobei sie eine kontinuierlich gekrümmte Biegung, eine nicht kontinuierlich gekrümmte Biegung, eine geringe Biegung wie etwa weniger als etwa 1° (jedoch mehr als 0°) bis zu etwa 180°, oder eine beliebige Kombination, die zumindest eine der zuvor genannten Biegungen umfasst, aufweisen können, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Bei einer planaren Zelle, bei der die Elektroden im Wesentlichen kreisförmig sind, ist eine geeignete Fluiddurchgangskonstruktion auf einer Elektrodenfluidverteilerfläche z. B. eine Spirale, wobei die Krümmung (d. h. die Biegung) des Kanals im Wesentlichen kontinuierlich sein kann. Bei einer weiteren planaren Zelle, bei der die Elektroden im Wesentlichen quadratisch sind, umfasst eine geeignete Fluiddurchgangskonstruktion auf einer Elektrodenfluidverteilerfläche z. B. einen Kanal mit einer Vielzahl von Biegungen. Ein Beispiel ist ein Labyrinth, das sich im Allgemeinen von einer äußeren Ecke zu eine mittigen Punkt windet, wie es allgemein in 3 und 8 (dies wird hier ausführlicher beschrieben) dargestellt ist, oder das alternative Biegungen haben kann, wie es allgemein in 9 dargestellt ist (dies wird hier ebenfalls ausführlicher beschrieben).
Bei bestimmten alternativen Ausführungsformen sind mehr als ein Fluiddurchgang auf dem Elektrodenfluidverteiler vorgesehen. Folglich kann die Länge von einem oder mehreren der Fluiddurchgänge gleich der längsten Abmessung des Verteilers oder geringer sein. Einer oder mehrere der Fluiddurchgänge können ein Kanal mit einer einzigen Biegung oder mehreren Biegungen sein. Ein Beispiel eines Elektrodenfluidverteilers mit mehr als einem Fluiddurchgang ist allgemein in 7 dargestellt (dies wird hier ausführlicher beschrieben).
Selbstverständlich kann sich die Konstruktion (einschließlich der Anzahl von Biegungen und der Biegungstypen, aber nicht darauf beschränkt) des Fluiddurchgangskanals unter anderem aufgrund der Konstruktion des Elektrodenfluidverteilers ändern.
In 3 ist nun eine Draufsicht einer Fluidverteilungsfläche 200 eines Elektrodenfluidverteilers gezeigt, der beispielsweise zur Verwendung als ein Abschnitt der zuvor beschriebenen Endabdeckung 20 oder des Verbinders 24 geeignet ist. Die Fläche 200 umfasst eine Ausführungsform des Fluiddurchgangs 204, der einen Einlass und einen Auslass bei einer ersten Ecke der Fläche 200 aufweist. Der Fluiddurchgang 204 verläuft zu der benachbarten zweiten Ecke der Fläche 200 und macht eine Biegung um 90°, bei der der Fluiddurchgang 204 weiter zu einer benachbarten dritten Ecke verläuft und eine Biegung um 90° macht, bei der der Fluiddurchgang 204 zu einer benachbarten vierten Ecke verläuft, die auch zu der ersten Ecke benachbart ist. Der Fluiddurchgang 204 verläuft zu dem Abschnitt des Fluiddurchgangs 204 in der Nähe der ersten Ecke, macht eine Biegung um 90°, und verläuft zu dem Abschnitt des Fluiddurchgangs 204 bei der zweiten Ecke. Der Fluiddurchgang 204 setzt sich im Allgemeinen auf diese Weise fort, bis ein mittiger Punkt 206 der Fläche erreicht ist. Alternativ kann der Punkt 206 ein Bereich mit verschiedenen Formen sein, wie etwa kreisförmig, oval, quadratisch, rechteckig, dreieckig, polygon oder dergleichen.
Außerdem steht in 3 und auch in 4-6 ein Abschnitt des Fluiddurchgangs 204 in Fluidverbindung und in elektrischem Kontakt mit einer Elektrode 210. Der Fluiddurchgang 204 umfasst im Allgemeinen einen Einlasskanal und einen Auslasskanal. Der Einlasskanal, der im Betrieb einen Zufuhrfluss in eine durch den Pfeil 260 angegebene Richtung hat, umfasst eine Vielzahl von Einlasssegmenten 232, und der Auslasskanal, der im Betrieb einen Ausgangsfluss in eine durch den Pfeil 270 angegebene Richtung hat, umfasst eine Vielzahl von Auslasssegmenten 234. Eine Vielzahl von benachbarten Segmentpaaren, von denen jedes ein Einlasssegment 232 und ein angrenzendes Auslasssegment 234 hat, bilden den Fluiddurchgang 204, der im Allgemeinen so konstruiert ist, wie es zuvor beschrieben wurde. Alternativ kann der Fluiddurchgang verschiedene Konstruktionen einschließlich unterschiedlicher Anzahl, Arten und Richtungen von Biegungen aufweisen.
Die Segmentpaare sind teilweise durch eine Vielzahl von Wänden 224 unterteilt und von angrenzenden Abschnitten des Fluiddurchgangs 204 durch eine oder mehrere Seitenwände 226 getrennt. Jedes der Segmente 232, 234 steht mit einem Abschnitt der Elektrode 210 in Fluidverbindung (wobei der jeweilige Abschnitt nachfolgend als "Segment-Elektrodenabschnitt" bezeichnet wird).
Bei einer Ausführungsform bleibt die Breite der Segmente 232, 234 längs der Richtung des Fluiddurchgangs 204 von der Außenkante der Fläche 200 bis zu dem Punkt 206 im Wesentlichen gleich, wodurch folglich die entsprechende Breite der jeweiligen Segment-Elektrodenabschnitte im Wesentlichen gleich bleibt. Ferner kann die Länge der Segmente 232, 234 (d. h. zwischen aufeinander folgenden Wänden 226) im Wesentlichen gleich bleiben, wobei die Flächen der Segment-Elektrodenabschnitte im Wesentlichen gleich bleibt. Bei einer alternativen (nicht gezeigten) Ausführungsform ändert sich die Breite und/oder die Länge der Segmente 232, 234 längs der Richtung des Fluiddurchgangs 204 von der Außenkante der Fläche 200 zu dem Punkt 206, wodurch sich folglich die entsprechende Fläche der jeweiligen Segment-Elektrodenabschnitte entsprechend ändert.
Um die Fläche 200 (3), die Fluiddurchgänge 204 enthält, von der gegenüberliegenden Fläche zu trennen, wird ein Trennelement 220 ausgebildet. Das Trennelement 220 kann ein Endabschnitt einer Endabdeckung oder ein Unterteilungsabschnitt zwischen zwei Seiten einer Verbindung sein. Die Wände 224 und die Seitenwände 226 verlaufen im Allgemeinen so von dem Trennelement 220, dass zumindest ein Abschnitt jeder Wand 224 und zumindest ein Abschnitt jeder Seitenwand 226 an der Elektrode 210 anliegt. Diese Abschnitte, die an der Elektrode 210 anliegen, sorgen sowohl für einen elektrischen Kontakt als auch für eine Fluidtrennung zwischen Segmenten und zwischen angrenzenden Abschnitten des Fluiddurchgangs 204. Im Allgemeinen ist ein ausreichender elektrischer Kontakt für die jeweilige Größe, Lastanforderungen, Betriebsbedingungen und dergleichen vorgesehen. Üblicherweise gibt es eine elektrische Kontaktfläche bezüglich der Fläche der Anode 210 von zumindest etwa 5%, bevorzugt zumindest etwa 10%, und besonders bevorzugt zwischen etwa 10% und etwa 25%. Der elektrische Kontakt ist im Allgemeinen über die Kanten der Wände 224, 226 vorgesehen.
Jedes Segmentpaar, das ein Einlasssegment 232 und ein Auslasssegment 234 umfasst, ist durch eine Ablenkeinrichtung 242 getrennt. Eine Fluidverbindung zwischen dem Einlasssegment 232 und dem Auslasssegment 234 wird zumindest teilweise durch die Ablenkeinrichtung 242 behindert.
Bei einer Ausführungsform ist die Ablenkeinrichtung 242 zwischen einem Paar von Wänden 224 angeordnet, so dass eine Öffnung 244 zwischen der Ablenkeinrichtung 242 und der Elektrode 210 geschaffen wird. Alternativ können Öffnungen innerhalb der Ablenkeinrichtung 242 vorgesehen sein. Ferner können eine oder mehrere alternative Öffnungen mit der Öffnung 244 kombiniert werden. Derartige alternative Öffnungen könne Löcher, Schlitze, Öffnungen, Poren oder weitere getrennte Öffnungen umfassen, die eine ausreichende Fluidverbindung zwischen den Segmenten 232 und 234 ermöglichen. Jede dieser Alternativen kann während des Betriebs für eine bestimmte Turbulenz zwischen den Segmenten 232 und 234 sorgen (Querturbulenz), was Wirbel zur Folge hat. Diese können für eine bessere Durchmischung des Brennstoffs und von Abgasprodukten erwünscht sein.
Für eine Fluidverbindung längs der Richtung des Fluiddurchgangs 204 von der Außenkante der Fläche 200 zu dem Punkt 206 umfasst jede Wand 224 eine erste Öffnung 252 und eine zweite Öffnung 254. Eine Vielzahl von ersten Öffnungen 252 bildet einen Einlasskanal durch eine Vielzahl von entsprechenden Einlasssegmenten 232, und eine Vielzahl von zweiten Öffnungen 254 bildet einen Auslasskanal durch eine Vielzahl von entsprechenden Auslasssegmenten 234. Der Einlasskanal steht mit einem Brennstoffzuführungsverteiler in Fluidverbindung, und der Auslasskanal steht mit einem Verteiler für verbrauchten Brennstoff in Fluidverbindung. Um die Antriebskraft zu erzeugen, wird der Druck in dem Brennstoffzuführungsverteiler auf einer größeren Höhe gehalten als der Druck in dem Verteiler für verbrauchten Brennstoff. Der Druckunterschied kann auf dem inhärenten Druckabfall durch den Durchgang beruhen oder er kann bei Bedarf aufgrund eines Sollflusses angepasst werden, indem der Querschnitt der Öffnung geändert wird oder dergleichen.
Die Öffnungen 252, 254 können als weggeschnittene Abschnitte ausgebildet sein, die ein Oberteil haben, das im Allgemeinen durch das Trennelement 220 eingefasst ist, wie es gezeigt ist. Alternativ können irgendwo sonst an der Wand 224 Öffnungen vorgesehen sein. Ferner können eine oder mehrere alternative Öffnungen, die Löcher, Schlitze oder weitere Öffnungen umfassen, mit den Öffnungen 252, 254 kombiniert werden. Zudem können ferner die Öffnungen 254 und die Öffnungen 252 unterschiedlich konstruiert und ausgelegt sein oder sie können einander völlig gleichen, oder es kann jede der Öffnungen 254, 252 jeweils gleich sein oder sich von jeder anderen Öffnung unterscheiden. Mögliche Öffnungsgeometrien reichen von einer mehrseitigen, z. B. halb-rechteckigen, halb-sechseckigen oder einer weiteren halbpolygonen Form bis zu glatten Formen, z. B. halbkreisförmig, halbelliptisch und dergleichen.
Weitere alternative Konstruktionen können auch für einige Fluidverbindungen zwischen angrenzenden Abschnitten des Fluiddurchgangs 204 vorgesehen sein. Dies kann erzielt werden, indem alle Wände 226 oder ein Teil von ihnen aus einem porösen Material geformt werden, oder indem Öffnungen in den Wänden 226 ausgebildet werden. Jede dieser Alternativen kann während des Betriebs für eine bestimmte Turbulenz zwischen benachbarten Abschnitten des Fluiddurchgangs 204 sorgen, was Wirbel zur Folge hat. Um die gewünschte Fluidverteilung über der Elektrode zu erzielen, ist jedoch die Menge der Fluidkommunikation, die zwischen Abschnitten des Fluiddurchgangs 204 ermöglicht werden kann, im Vergleich zu dem Fluidfluss längs der Richtung des Fluiddurchgangs 204 von der Außenkante der Fläche 200 zu dem Punkt 206 vorzugsweise minimal.
Die Fläche 200, die den Fluiddurchgang 204 enthält, kann durch verschiedene Techniken ausgebildet werden, die maschinelle Bearbeitung, Gießen, Spritzgießen, Walzen, chemisches Ätzen und dergleichen sowie eine beliebigen Kombination, die zumindest eine der zuvor genannten Techniken enthält, umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
Wegen der Konstruktion des Fluiddurchgangs 204 ist der jeweilige Bereich der Elektrode, der dem jeweiligen Segmentpaar 232 und 234 entspricht, im Wesentlichen frischem Brennstoff ausgesetzt. Im Wesentlichen ist die Fläche 200 angrenzend an eine Brennstoffelektrode angeordnet, und ein zugeführter Brennstoff wird in den Einlasskanal im Allgemeinen über den Brennstoffzuführungsverteiler eingeleitet. Der zugeführte Brennstoff strömt durch die Vielzahl der ersten Öffnungen 252 längs der Richtung des Fluiddurchgangs 204 von der Außenkante der Fläche 200 zu dem Punkt 206, die allgemein durch Pfeile 310 angegeben ist. Da der zugeführte Brennstoff durch jedes der Einlasssegmente 232 fließt, fließt frischer Brennstoff zu dem Segment-Elektrodenabschnitt in der Nähe des zugeordneten Einlasssegments 232 in eine Richtung, die allgemein durch die Pfeile 320 angegeben ist. Zusätzlich fließt frischer Brennstoff zusammen mit verbrauchtem Brennstoff von dem Elektrodenabschnitt in der Nähe des Segments 232 durch die Öffnung 244 zu dem Auslasssegment 234 in eine Richtung, die allgemein durch die Pfeile 330 angegeben ist. Folglich ist Fluid im Wesentlichen offen auf die Elektrodenabschnitte gerichtete, die durch die Paare von Segmenten 232, 234 definiert sind (im Gegensatz zu dem Fluid, das über eine Elektrode ausströmt oder fließt, bei der verbrauchter Brennstoff und frischer Brennstoff kombiniert auf die einzelnen Segmenten gerichtet sind).
Bei jedem Einlasssegment-Elektrodenabschnitt reagiert der Brennstoff im Allgemeinen, um Wasser und Elektronen zu bilden, die die äußere Schaltung mit Energie versorgen, wie es zuvor im Allgemeinen anhand 2 beschrieben wurde. Das resultierende Wasser und jeglicher nicht reagierter Brennstoff (der hier nachfolgend als verbrauchter Brennstoff bezeich net wird) fließen von dem Einlasssegment 232 durch die Öffnung 244 zu dem Auslasssegment 234 in eine Richtung, die allgemein durch die Pfeile 330 angegeben wird. Der verbrauchte Brennstoff von den Auslasssegmenten 234 tritt über die zweiten Öffnungen 254 in eine Richtung aus, die allgemein durch die Pfeile 340 angegeben ist, und verlässt den Fluiddurchgang 204 in eine Richtung, die allgemein durch die Pfeile 350 angegeben ist.
Vorzugsweise sind die Segmentpaare, die ersten Öffnungen 252 und/oder die Öffnungen 244 so konstruiert und bemessen, dass es möglich wird, dass alle Elektrodenbereiche entsprechend den Segmentpaaren der gleichen Menge und Konzentration an Brennstoff ausgesetzt sind. Im Fluiddurchgang 204 kann dies erzielt werden, indem die Flächenabmessung der Öffnung längs der Richtung des Fluiddurchgangs 204 von der Außenkante der Fläche 200 zu dem Punkt 206 von groß auf klein geändert wird. Obwohl die Segment-Elektrodenflächen und die Breiten der Segmente 232, 234 im Allgemeinen längs der Richtung des Fluiddurchgangs 204 von der Außenkante der Fläche 200 zu dem Punkt 206 im Allgemeinen gleich bleiben, um näherungsweise die gleiche Flussrate des Brennstoffs mit gleicher Konzentration pro Flächeneinheit der Zelle zu erzielen, kann sich die Höhe und/oder die Breite der Öffnungen 252, 254 längs der Richtung des Fluiddurchgangs 204 von der Außenkante der Fläche 200 zu dem Punkt 206 ändern (wie es in 5 durch die Strichlinien angegeben ist). Bei bestimmten Konstruktionen, wenn beispielsweise der Fluiddurchgang 204 eine derartige Gesamtlänge besitzt, dass eine größere Änderung der Öffnungsabmessung erforderlich ist, wird die Dicke des Aufbaus mit der Fläche 200 (d. h. die Verbindung oder die Endabdeckung) minimiert, indem die Breite der Öffnungen oder sowohl die Breite der Öffnungen 252, 254 als auch die Höhe der Öffnungen 252, 254 geändert wird.
Ein geeigneter Fluiddurchgang 204 zur Nutzung bei einer Verbindung in einer SOFC für Kraftfahrzeuganwendungen (z. B. etwa 50 bis etwa 200 cm²/Zelle) kann beispielsweise die folgenden Abmessungen haben: eine Breite zwischen den Wänden 226 von etwa 0,1 Millimeter ("mm") bis etwa 50 mm, vorzugsweise etwa 1 mm bis etwa 20 mm, und weiter bevorzugt etwa 8 mm bis etwa 12 mm; eine Höhe der Wand 226 von etwa 0,1 mm bis etwa 5 mm, vorzugsweise etwa 0,1 mm bis etwa 1 mm, und weiter bevorzugt etwa 0,3 mm bis etwa 0,7 mm; und Öffnungen 244 von etwa 0,05 mm bis etwa 0,5 mm, vorzugsweise etwa 0,05 mm bis etwa 0,2 mm, und stärker bevorzugt etwa 0,08 mm bis etwa 0,12 mm.
Obwohl hier auf einen einzelnen Fluiddurchgang 204 Bezug genommen wird, kann in Erwägung gezogen werden, dass ein oder mehrere Fluiddurchgänge 204 als ein Abschnitt eines Fluidverteilungssystems, das weitere Fluidverteilungssysteme außer dem Fluiddurchgang 204 umfasst, genutzt werden können. Alternativ kann ein Vielfach-Fluiddurchgang 204 einen Abschnitt eines Fluidverteilungssystems umfassen.
Eine mögliche alternative Konstruktion des Fluiddurchgangs ist in 7 gezeigt. 7 zeigt eine Teildraufsicht einer Fläche 300, die eine Vielzahl von Fluiddurchgängen 304 umfasst, von denen vorzugsweise jeder im Detail dem Fluiddurchgang 204 gleicht. Im Allgemeinen fließt Fluid von einem Verteiler oder einer (nicht gezeigten) Leitungsbaueinheit in eine Vielzahl von Einlässen in die Richtungen, die durch Pfeile 360 angegeben sind. Das Fluid strömt über die Vielzahl von Fluiddurchgängen 304, die getrennte Durchgänge mit vielfachen Biegungen sind, die bei getrennten Punkten 306 zusammenlaufen, über eine Elektrode. Das Auslassfluid kann in einer Richtung, die durch den Pfeil 370 angegeben ist, an der gleichen Seite austreten wie das Einlassfluid, üblicherweise mit geeigneten Verteilern und einem geeigneten Druckunterschied zwischen der Einlassleitung und der Auslassleitung.
Eine weitere alternative Konstruktion ist in 8 gezeigt, in der eine Teildraufsicht einer Fläche 400 gezeigt ist, die Fluiddurchgänge 404 aufweist, von denen jeder im Detail den Fluiddurchgängen 204 gleicht. Fluid fließt jedoch bei einem Einlass allgemein in die Richtung hinein, die durch den Pfeil 460 angegeben ist, und verbrauchtes Fluid tritt bei einem Auslass in eine Richtung aus, die durch den Pfeil 475 angegeben ist. Es wird angemerkt, dass die Position der Einlasssegmente und der Auslasssegmente verglichen zu der Anordnung in 4 im Allgemeinen umgedreht ist. Diese Alternative kann mit weiteren Fluiddurchgangs-Konstruktionen kombiniert werden, die jene, die zuvor allgemein beschrieben wurden, die die zuvor anhand 7 beschriebene Konstruktion und die nachfolgend anhand 9 beschriebene Konstruktion umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
Eine nochmals weitere alternative Konstruktion ist in 9 gezeigt, in der eine Teildraufsicht einer Fläche 500 gezeigt ist, die Fluiddurchgänge 504 umfasst, von denen jeder vorzugsweise im Detail den Fluiddurchgängen 204 gleicht. Fluid fließt bei einem Einlass allgemein in die durch den Pfeil 560 angegebene Richtung ein, und verbrauchtes Fluid tritt bei einem Auslass allgemein in die Richtung aus, die durch den Pfeil 570 angegeben ist. Der Fluiddurchgang 504 verläuft zu einer benachbarten zweiten Ecke der Fläche 500 (vertikal aufwärts in 9) und macht eine Biegung um 90° (nach rechts in der Figur), bei der der Fluiddurchgang 504 weiter zu einer benachbarten dritten Ecke verläuft. Bei der dritten Ecke macht der Fluiddurchgang 504 eine Biegung um 180°, wobei der Fluiddurchgang 504 in die Richtung zu der zweiten Ecke (nach links in diese Figur) verläuft. Der Fluiddurchgang 504 macht hierauf eine Biegung um 90°, bei der der Fluiddurchgang 504 in die Richtung zu der ersten Ecke verläuft (vertikal nach unten in der Figur), und macht weiter eine Biegung um 90°, bei der der Fluiddurchgang 504 in die Nähe einer vierten Ecker verläuft (vertikal nach rechts in der Figur). Der Fluiddurchgang 504 macht hierauf eine Biegung um 90°, bei der der Fluiddurchgang 504 in die Richtung zu der dritten Ecke verläuft (vertikal nach oben in der Figur), und macht ferner eine Biegung um 90°, bei der der Fluiddurchgang 504 in die Richtung zu der zweiten Ecke verläuft (nach links in der Figur), und macht noch eine weitere Biegung um 90°, bei der der Fluiddurchgang 504 in die Richtung zu der ersten Ecke verläuft (vertikal nach unten in der Figur). Der Fluiddurchgang macht an diesem Punkt eine Biegung um 180°, wobei der Fluiddurchgang 504 in die Richtung zu der zweiten Ecke verläuft (vertikal nach oben in der Figur), und er macht eine fortgesetzte Biegung um 90°, bis ein zentraler Punkt 506 der Fläche erreicht ist.
In 10 ist nun eine Verbindung 930 gezeigt. Ein Abschnitt 932 umfasst eine Fläche für einen Elektrodenverteiler, beispielsweise ähnlich der Fläche 200, 300, 400, 500 oder irgendeiner Kombination, die zumindest eine diese Flächen umfasst. Der Abschnitt 932 steht zumindest teilweise mit einer Anode 912 einer ersten Zelle 910 in Fluidverbindung. Die erste Zelle 910 umfasst die Anode 912, einen Elektrolyt 914 und eine Katode 916. Die Verbindung 930 umfasst einen Abschnitt 932 an ihrer einen Seite, und einen weiteren Abschnitt 934 an der gegenüberliegenden Seite der Verbindung 930, wobei der Abschnitt 934 ähnlich dem Abschnitt 932 oder unterschiedlich zu diesem entworfen ist. Zumindest ein Abschnitt des Abschnitts 934 steht zumindest teilweise mit einer Katode 926 einer zweiten Zelle 920 in Fluidverbindung. Die zweite Zelle 920 umfasst eine Katode 926, eine Anode 922 und einen Elektrolyt 924.
Bei einer weiteren Ausführungsform in 11 umfasst nun ein Zellensystem 1000 eine Endabdeckung 1020. Die Endabdeckung 1020 kann angrenzend an eine erste Zelle in einem Stapel verwendet werden. Zumindest ein Abschnitt der Endkappe 1020 steht zumindest teilweise mit einer Anode 1012 einer Zelle 1010 in Fluidverbindung und umfasst eine Fläche für einen Elektrodenverteiler, beispielsweise ähnlich der Fläche 200, 300, 400, 500 oder irgendeiner Kombination, die zumindest eine dieser Flächen umfasst. Die Zelle 1010 umfasst die Anode 1012, einen Elektrolyt 1014 und eine Katode 1016.
Ein Vorteil des Fluidverteilungsflächenentwurfs beinhaltet die Schaffung einer verbesserte Fluidverteilung bei einer Elektrode im Vergleich zu Verbindungen und anderen Aufbauten, die den gegenwärtigen Fluidverteiler nicht nutzen. Eine derartige verbesserte Fluidverteilung hat folglich eine verbesserte Brennstoffausnutzung zur Folge. Eine verbesserte Brennstoffausnutzung schafft außerdem einen daraus folgenden Vorteil einer erhöhten Wasserproduktion, was besonders nützlich ist, wenn die Wärme des Wassers für weitere Prozesse genutzt wird.
Die Fluidverteilung verbessert außerdem die strukturelle Haltbarkeit der Verbindung und des Endaufbaus, wodurch folglich die strukturelle Haltbarkeit des gesamten Zellenstapels verbessert wird, und verringert die Menge an verbrauchtem Brennstoff, die von einem Einlassabschnitt auf einen nachfolgenden Einlassabschnitt gerichtet ist. Mit dem vorliegenden Elektrodenfluidverteiler wird es für möglich gehalten, dass mehr als etwa 50% oder etwa 50% des verbrauchten Brennstoffes in einem Einlassabschnitt direkt zu dem angrenzenden Auslassabschnitt fließen, wobei bevorzugt mehr als 75% oder etwa 75% des verbrauchten Brennstoffs zu dem angrenzenden Auslassabschnitt fließen, was für möglich gehalten wird.
Weitere daraus folgende Vorteile der Fluidverteilung, die vorzugsweise sowohl in der Flussrate als auch in der Konzentration gleichmäßig ist, umfassen unter anderem eine erhöhte Stromdichte, eine Gesamtzunahme in der Zellenausgangsleistung, verringerten Brennstoffverbrauch, die Möglichkeit, kleinere Zellen herzustellen, eine optimale Nutzung einer verfügbaren Zellenfläche und eine Minimierung oder Beseitigung von Temperaturgradienten in einem makroskopischen Maßstab, die sich schädlich auf die Haltbarkeit auswirken.

Claims

Elektrodenfluidverteiler für eine Festoxidbrennstoffzelle, wobei der Elektrodenfluidverteiler umfasst: einen kontinuierlichen Fluiddurchgang (204), der durch Längsseitenwände (226) definiert ist, die im Gebrauch zwischen einer Elektrodenfläche (210) und einer Abdeckplatte (220) verlaufen; wobei der Durchgang (204) durch eine Längstrennwand (242) unterteilt ist, um einen Einlasskanal (260) und einen Auslasskanal (270) zu bilden, wobei der Einlasskanal (260) von einem ersten Ende, das im Gebrauch mit einem Fluideinlassverteiler verbunden ist, zu einem zweiten Ende verläuft, und wobei der Auslasskanal (270) von einem ersten Ende, das mit dem zweiten Ende des Einlasskanals in Verbindung steht, zu einem zweiten Ende zur Verbindung mit einem Austragsverteiler verläuft; und und wobei der Einlasskanal (260) durch Teilquertrennwände (224) in eine Vielzahl von Einlasskanalsegmenten (232) unterteilt ist, der Auslasskanal (270) durch Teilquertrennwände (224) in eine Vielzahl von Auslasskanalsegmenten (234) unterteilt ist, und jedes Einlasskanalsegment (232) an ein zugeordnetes Auslasskanalsegment (234) angrenzt, um ein Fluiddurchgangssegmentpaar (232, 234) zu bilden; wobei die Längstrennwand (242) mit Durchbrechungen versehen ist, um eine Fluidablenkeinrichtung zwischen dem Einlasskanalsegment (232) und dem Auslasskanalsegment (234) jedes Segmentpaares (232, 234) zu bilden.