DE69102669T2

DE69102669T2 - Festoxidbrennstoffzellen.

Info

Publication number: DE69102669T2
Application number: DE69102669T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ishihara; Hidenobu Misawa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1990-03-26
Filing date: 1991-03-20
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2011-03-21
Also published as: CA2038755A1; US5188910A; JPH03274672A; EP0451971B1; DE69102669D1; CA2038755C; EP0451971A1

Description

In letzter Zeit haben Brennstoffzellen als Stromerzeugungseinrichtungen Beachtung gefunden. Eine solche Brennstoffzelle ist eine Einrichtung, die fähig ist, Brennstoffen innewohnende chemische Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Da die Brennstoffzelle nicht der Einschränkung des Carnot'schen kreisprozesses unterliegt, handelt es sich bei dieser Zelle insofern um eine sehr vielversprechende Technik, als die Brennstoffzelle eine im wesentlichen hohe Energieumwandlungseffizienz aufweist, eine Vielzahl von Brennstoffen (Naphtha, Erdgas, Methanol, Gas aus der Kohleveredlung, Schweröl usw.) verwendet werden kann und die Zelle eine geringere Belastung für die Öffentlichkeit darstellt und seine Stromerzeugungseffizienz nicht vom Maßstab der Anlage abhängt. Insbesondere ist, da die Festoxid-Brennstoffzelle (in der Folge als "SOFC" (solid oxide fuel cell) bezeichnet) bei hohen Temperaturen von 1000ºC oder mehr arbeitet, die Aktivität der Elektroden extrem hoch. Somit kann völlig auf einen katalysator aus einem Edelmetall wie z.B. teurem Platin verzichtet werden. Außerdem ist, da das SOFC geringe Polarisierung und relativ hohe Ausgangsspannung aufweist, seine Energieumwandlungseffizienz deutlich höher als jene bei den anderen Brennstoffzellen. Weiters sind, da die sie aufbauenden Materialien alle fest sind, SOFCs stabil und weisen eine lange Lebensdauer auf.
Fig. 2 ist eine Vorderansicht, die einen Teil einer Brennstoffzelle veranschaulicht, in welcher solche zylindrische SOFC-Elemente angeordnet sind.
In Fig. 2 ist eine Luftelektrode 12 an der Außenperipherie eines zylindrischen Keramikstützkörpers 11 vorgesehen, und ein Trockenelektrolyt 5 und eine Brennstoffelektrode 6 sind entlang der Außenperipherie der Luftelektrode 12 angeordnet. Weiters ist an der Luftelektrode 12 in einem oberen Bereich, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Verbinder 7 vorgesehen, und ein Anschluß 8 ist am Verbinder 7 befestigt. Dadurch ist das zylindrische SOFC-Element 40 gebildet. In Fig. 2 ist die Luftelektrode 12 über den Verbinder 7, den Anschluß 8 und einen Metallfilz 19 mit der Brennstoffelektrode zwischen den oberen und unteren benachbarten zylindrischen SOFC-Elementen 40 verbunden, sodaß eine Vielzahl zylindrischer SOFC-Elemente 40 in vertikaler Richtung in Serie geschaltet werden kann. Weiters sind die Brennstoffelektroden 6 der lateral benachbarten zylindrischen SOFC-Elemente 40 durch einen Metallfilz 19 verbunden, sodaß eine Vielzahl der zylindrischen SOFC-Elemente 40 in lateraler Richtung parallel geschaltet werden kann. Der Strom wird durch Metallplatten 20 gesammelt.
Wenn die zylindrischen SOFC-Elemente arbeiten sollen, wird das sauerstoffhältige oxidierende Gas durch zylindrische Räume 13 innerhalb der Elemente 40 geschickt, während ein Brennstoffgas wie z.B. Wasserstoffgas oder Kohlenmonoxid durch einen Raum 21 zwischen den zylindrischen SOFC-Elementen 40 entlang der Außenperipherien der Brennstoffelektroden 6 durchgeschickt wird.
Beim in Fig. 2 gezeigten SOFC fließt elektrischer Strom in durch Pfeile F gezeigte Richtungen von der Luftelektrode zur Brennstoffelektrode, und fließt weiter durch die Film-Luftelektrode 12 und Brennstoffelektrode 6 in Richtungen, die mit Pfeilen D bzw. E angegeben sind. Daher wird, da Strom über eine lange Distanz durch einen engen Querschnitt fließt, ein Teil des Stroms durch Ohm'schen Widerstand in Joulewärme umgewandelt und verbraucht.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Festoxid- Brennstoffzelle (SOFC) zu schaffen, mit der der Stromverlust aufgrund des Ohm'schen Widerstandes der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode verringert werden und die Stromerzeugungseffizienz verbessert werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Festoxid-Brennstoffzelle, die eine Vielzahl zylindrischer Festoxid-Brennstoffzellelemente angeordnet umfaßt, wobei jedes der genannten Brennstoffzellelemente zumindest eine Brennstoffelektrode, einen Trockenelektrolyten und eine Luftelektrode sowie ein mit den Brennstoffelektroden verbundenes Mehrkontaktpunkt- Stromsammelelement umfaßt, wobei die Brennstoffelektrode und die Luftelektrode zwischen den benachbarten Festoxid-Brennstoffzellelementen zumindest über das Mehrkontaktpunkt-Stromsammelelement und den Verbinder verbunden ist, worin das Mehrkontaktpunkt-Stromsammelelement mit der gesamten Oberfläche der Brennstoffelektrode in Kontakt steht.
Die Formulierung "das Mehrkontaktpunkt-Stromsammelelement steht mit der gesamten Oberfläche der Brennstoffelektrode in Kontakt" bezieht sich nicht nur auf einen Fall, in dem das Mehrkontaktpunkt-Stromsammelelement mit der gesamten Oberfläche der Brennstoffelektrode vollständig in Kontakt steht, sondern auch auf einen Fall, in dem eine etwas schlechtere Kontaktfläche die im wesentlichen keine negative Wirkung erzeugt, in einem gewissen Ausmaß bestehen bleibt.
Diese und andere wahlweise Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erkannt werden, wobei es sich versteht, daß ein Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung einige Modifikationen, Variationen und Änderungen derselben vornehmen kann.
Um das Verstehen der Erfindung zu erleichtern, wird auf die beiliegenden Zeichnungen bezuggenommen, worin:
Fig. 1 eine Vorderansicht eines Teils eines SOFC gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 2 eine Vorderansicht eines Teiles des herkömmlichen SOFC ist.
Fig. 1 ist eine Vorderansicht einer Ausführungsform eines Teils des erfindungsgemäßen SOFC.
Beim SOFC dieser Ausführungsform wird ein Keramikrohr 1 mit Doppelwandstruktur verwendet, das aus einem leitenden Material besteht und einen nicht gezeigten geschlossenen Bodenabschnitt aufweist. Das Keramikrohr 1 hat eine Doppelwandstruktur, die aus einer unten geschlossenen Luftelektrode 1a mit einem Boden und einem Zufuhrrohr 1c für oxidierendes Gas, dessen gegenüberliegende Enden offen sind, besteht. Die unten geschlossene zylindrische Luftelektrode 1a ist beispielsweise durch acht bandartige und sich radial erstreckende Rippen 1b einstückig mit dem Zufuhrrohr 1c für oxidierendes Gas verbunden. Es ist vorzuziehen, daß die unten geschlossene Luftelektrode 1a, die bandartigen Rippen 1b und das Zufuhrrohr 1c für oxidierendes Gas aus dem gleichen Luftelektrodenmaterial bestehen und durch Extrusionsformen einstückig ausgebildet sind.
Wie bei der Ausfuhrungsform in Fig. 2 sind ein Festelektrolyt 5, eine Brennstoffelektrode 6, ein Verbinder 7 und ein Anschluß 8 der Reihe nach um die Außenperipherie des Keramikrohres 1 herum ausgebildet, wodurch ein SOFC-Element 30 gebildet wird.
Die Außenperipherie der Brennstoffelektrode 6 wird vollständig von einem Nickelfilz 9 kontaktiert und davon abgedeckt. Die Nickelfilze 9, welche die Brennstoffelektroden 6 der lateral benachbarten SOFC-Elemente 30 abdecken, sind miteinander verbunden und integriert. In Fig. 1 steht der Nickelfilz 9 des SOFC-Elements 30 mit den Anschluß des vertikal benachbarten SOFC-Elements 30 in Kontakt, sodaß die Brennstoffelektrode 6 des SOFC-Elements über den Anschluß 8, den Verbinder 7 und den Nickelfilz 9 elektrisch mit der unten geschlossenen zylindrischen Luftelektrode 1a des vertikal benachbarten SOFC-Elements 30 verbunden werden kann.
Zwischenräume zwischen den Nickelfilzen 9, die die Außenperipherien der Brennstoffelektroden 6 der SOFC-Elemente 30 abdecken, sind mit elektrisch isolierenden Abstandshaltern (Füllern) 10 gefüllt, die einen im wesentlichen rhombischen Querschnitt aufweisen, um tote Räume aufzufüllen.
Das Keramikrohr 1 kann aus einem dotierten oder nicht dotierten Keramikmaterial, wie z.B. LaMnO&sub3;, CaMnO&sub3;, LaNiO&sub3;, LaCoO&sub3; oder LaCrO&sub3; bestehen. Von diesen wird mit Sr dotiertes LaMnO&sub3; bevorzugt. Um die Außenperipherie des Keramikrohres 1 ist der gasdichte Trockenelektrolyt 5 mit Poren mit etwa 1 um bis 100 um angeordnet, der aus typischerweise mit Yttererde stabilisierter Zirkonerde besteht. Wenn der Trockenelektrolyt 5 auf die Außenperipherie der Luftelektrode aufgebracht wird, wird die Luftelektrode in einem ausgewählten Bereich in der Längsrichtung maskiert, und der Verbinder 7 wird an diesem ausgewählten Bereich befestigt. Der Verbinder 7 muß unter einer Sauerstoffatmosphäre und einer Brennstoffatmosphäre elektrisch leitend sein. Die Dicke des Verbinders 7 beträgt vorzugsweise 5-100 um. Beim SOFC-Element 30 ist der Oberflächenabschnitt des Trockenelektrolyts, der nicht der Verbinder 7 ist, von der Brennstoffelektrode 6 umgeben, die als eine Anode dient. Im allgemeinen hat die Brennstoffelektrode 6 eine Dicke von 30-100 um und besteht aus Nickel-Zirkonerde-Cermet, Kobalt-Zirkonerde-Cermet oder ähnlichem.
Der Anschluß 8 ist am oberen Abschnitt des Verbinders 7 befestigt. Als das Material für den Anschluß 8 können beispielsweise Nickel-Zirkonerde- Cermet, Kobalt-Zirkonerde-Cermet, Nickel und ähnliches genannt werden.
Während des Betriebs strömt das Brennstoffgas die Außenperipherie der Brennstoffelektrode 6 entlang. Andererseits wird das oxidierende Gas zuerst in den Raum 3 im Zufuhrrohr 1c für oxidierendes Gas eingebracht, strömt im Inneren des Zufuhrrohres 1c für oxidierendes Gas und erreicht den Endabschnitt des SOFC-Elements 30. Dann trifft das oxidierende Gas auf den Bodenabschnitt der unten geschlossenen zylindrischen Luftelektrode 1a auf und wird dort zurückgelenkt, und das oxidierende Gas strömt in die Strömungswege 4 für das oxidierende Gas, die durch bandartige Rippen 1b geteilt sind, und wird durch eine Öffnung des SOFC-Elements abgeführt. Wenn das oxidierende Gas durch die Strömungswege 4 für oxidierendes Gas hindurchfließt, erzeugt Sauerstoff im oxidierenden Gas an der Grenzfläche zwischen der Luftelektrode 1a und dem Trockenelektrolyt 5 Sauerstoffionen. Die so erzeugten Sauerstoffionen bewegen sich durch den Trockenelektrolyt 5 hindurch zur Brennstoffelektrode 6 reagieren mit dem Brennstoff und geben gleichzeitig Elektronen an die Brennstoffelektrode 6 ab.
Gemäß dem SOFC der vorliegenden Erfindung können die folgenden Wirkungen erzielt werden.
(1) Da der Nickelfilz 9 im wesentlichen mit der gesamten Oberfläche der Brennstoffelektrode 6 in Kontakt steht, wird Strom in Richtungen orthogonal zur Brennstoffilmelektrode 6 gesammelt, wie durch Pfeile A gezeigt, und fließt innerhalb des Nickelfilzes 9, wie durch Pfeile C gezeigt. Daher kann der Weg, den der Strom innerhalb der Brennstoffelektrode 6 mit großem spezifischem Widerstand zurücklegt, verkürzt werden. So kann, da der Stromverlust aufgrund von Joulewärme gering ist, die Stromerzeugungseffizienz stark verbessert werden.
(2) Da die bandartigen Rippen 1b und das Zufuhrrohr 1c für oxidierendes Gas aus dem gleichen Material bestehen wie die Luftelektrode, fließt Strom die Rippen 1b und das Zufuhrrohr 1c entlang, wie von den Pfeilen B gezeigt, sodaß der Stromverlust weiter verringert werden kann.
(3) Da die Nickelfilze 9 dadurch an die Brennstoffelektroden 6 gepreßt werden, daß die isolierenden Abstandhalter 10 in die Zwischenräume zwischen den Nickelfilzen 9 eingebracht sind, ist es nicht wahrscheinlich, daß dazwischen schlechter Kontakt auftritt, selbst wenn die Nickelfilze 9 bei der Verwendung bei hohen Temperaturen leicht verformt werden.
(4) Da die SOFC gemäß der vorliegenden Erfindung eine Struktur aufweist, bei der der Nickelfilz 9 mit der gesamten Oberfläche der Brennstoffelektrode 6 in Kontakt steht und der isolierende Abstandhalter 10 in die Zwischenräume eingebracht ist, um das spröde SOFC-Element 30 durch kleine Kräfte über einen weiten Flächenbereich gleichmäßig abzustützen, kann das Auftreten übermäßiger Belastungen am SOFC-Element 30 verhindert werden, was die Betriebssicherheit der gesamten Gruppe der Elemente erhöht.
(5) Da das Zufuhrrohr 1c für das oxidierende Gas durch die bandartigen Rippen 1b einstückig mit der mit Boden versehenen Luftelektrode 1a verbunden ist, kann das Zufuhrrohr 1c für oxidierendes Gas sicher an seinem Platz gehalten werden, und Leistungsschwankungen, die ihren Ursprung in einer Abweichung in der relativen Position zwischen dem Zufuhrrohr 1c für oxidierendes Gas und der unten geschlossenen Luftelektrode la haben, völlig beseitigt werden. Weiters kann, da sich die Rippen 1b radial vom Zufuhrrohr 1c für oxidierendes Gas erstrecken, die mechanische Festigkeit des SOFC-Elements 30 vom Standpunkt der Theorie der Strukturdynamik deutlich erhöht werden.
Die obige Ausführungsform kann auf verschiedene Arten modifiziert werden.
Als das Mehrkontaktpunkt-Stromsammelelement wird zwar der Nickelfilz verwendet, jedoch kann anstelle des Nickelfilzes auch ein Stromsammelelement wie z.B. ein nadelartiges Stromsammelelement, ein kammartiges hitzebeständiges Metallstromsammelelement, ein metallwollartiges Stromsammelelement oder ähnliches verwendet werden. Dabei ist vorzuziehen, daß das Mehrkontaktpunkt-Stromsammelelement aus einem hitzebeständigen Metall besteht und auch bei hohen Temperaturen von etwa 1000ºC Elastizität aufweist. Außerdem kann das Mehrkontaktpunkt- Stromsammelelement statt aus dem hitzebeständigen Metall aus einem elektrisch leitenden Material wie z.B. einem elektrisch leitenden Keramikmaterial, einem keramikbeschichteten Metall oder ähnlichem hergestellt werden.
Weiters ist es nicht unabdingbar notwendig, das obige Keramikrohr mit Doppelwandstruktur zu verwenden. Es kann auch sein, daß ein aus hitzebeständigem Metall bestehendes Zufuhrrohr für oxidierendes Gas in einen Raum innerhalb einer unten geschlossenen Luftelektrode eingefügt wird und das oxidierende Gas dem Raum innerhalb der zylindrischen Luftelektrode durch das Zufuhrrohr für oxidierendes Gas zugeführt wird, um Elektrizität zu erzeugen.
Darüberhinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf die unten geschlossene zylindrische SOFC mit einem geschlossenen Ende beschränkt, sondern die Erfindung kann auch auf SOFCs mit gegenüberliegenden offenen Enden angewandt werden, in dem zylindrische SOFC-Elemente untergebracht sind.
Entsprechend der erfindungsgemäßen Festoxid-Brennstoffzelle wird, da das Mehrkontaktpunkt-Stromsammelelement im wesentlichen mit der gesamten Oberfläche der Brennstoffelektrode in Kontakt steht, Strom in die Richtungen orthogonal zur Brennstoffelektrode gesammelt, sodaß Strom innerhalb des Mehrkontaktpunkt-Stromsammelelements fließt und weiters zumindest über den Verbinder zur Luftelektrode des benachbarten Brennstoffzellelements vom Festoxid-Typ fließt. Daher kann, da der Weg, über den Strom innerhalb der Brennstoffelektrode mit großem spezifischen Widerstand fließt, verkürzt werden kann, Stromverlust aufgrund von Joulewärme verringert werden, was die Stromerzeugungseffizienz deutlich verbessert.

Claims

1. Festoxid-Brennstoffzelle, umfassend eine Vielzahl zylindrischer Festoxid-Brennstoffzellenelemente, wobei jedes der genannten Brennstoffzellenelemente zumindest eine Brennstoffelektrode, einen Festbzw. Trockenelektrolyten und eine Luftelektrode sowie ein Mehrkontaktpunkt-Stromsammelelement umfaßt, das mit der Brennstoffelektrode in Kontakt steht, wobei die Brennstoffelektrode zumindest eines Brennstoffzellenelements über das Mehrkontaktpunkt-Stromsammelelement und einen Verbinder mit der Luftelektrode eines benachbarten Festoxid-Brennstoffzellenelements elektrisch verbunden ist, worin das genannte Mehrkontaktpunkt-Stromsammelelement mit der gesamten Oberfläche der Brennstoffelektrode in Kontakt steht.

2. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, worin jedes der Festoxid-Brennstoffzellenelemente ein Luftelektrodenrohr, wobei der Fest- bzw. Trockenelektrolyt und die Brennstoffelektrode aufeinanderfolgend um einen Außenumfang des genannten Luftelektrodenrohres herum angeordnet sind, einen Verbinder, der auf einem Teil des Außenumfangs der Luftelektrode ausgebildet ist, und einen am Verbinder ausgebildeten Anschluß umfaßt.

3. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 2, worin das Luftelektrodenrohr ein Rohr mit Doppelwandstruktur ist, das aus einer mit Boden versehenen zylindrischen Luftelektrode, einem in der Luftelektrode angeordneten Zufuhrrohr für oxidierendes Gas, bei dem gegenüberliegende Enden geöffnet sind, und Rippen besteht, welche die Luftelektrode und das Zufuhrrohr für oxidierendes Gas einstückig verbinden.

4. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 3, worin die genannte Luftelektrode, das genannte Zufuhrrohr für oxidierendes Gas und die genannten Rippen aus einem gleichen Material bestehen, das aus dotiertem oder nicht dotiertem LaMnO&sub3;, CaMnO&sub3;, LaNiO&sub3;, LaCoO&sub3; und LaCrO&sub3; ausgewählt ist.

5. Festoxid-Brennstoffzelle nach Anspruch 1, worin zwischen den Zellenelementen vorhandene Zwischenräume mit elektrisch isolierendem Abstandshaltermaterial ausgefüllt sind. -2-