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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Zelleinheiten für
Festoxid-Brennstoffzellen und Stromgeneratoren, die derartige Zelleinheiten
verwenden.
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In jüngster Zeit haben Brennstoffzellen
als Stromgeneratoren zunehmend das öffentliche Interesse auf sich
gezogen. Da eine Brennstoffzelle eine Vorrichtung ist, die chemische
Energie, die ein Brennstoff innehat, direkt in elektrische Energie
umwandelt und die von jeglicher Beschränkung durch den Carnot-Prozess
frei ist, weist die Brennstoffzelle eine im Wesentlichen hohe Energieumwandlungseffizienz
auf. Bei der Brennstoffzelle können
zudem eine Vielzahl von Brennstoffen (Naphtha, Erdgas, Methanol,
reformiertes Kohlegas, Schweröl,
etc.) verwendet werden, sie trägt
weniger zur öffentlichen Belästigung
bei und ihre Stromerzeugungseffizienz wird nicht von der Größe der Anlage
beeinflusst. Dementsprechend ist die Brennstoffzelle ein vielversprechendes
Verfahren.
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Insbesondere da Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC,
solid oxide fuel cell) bei hohen Temperaturen von etwa 1.000°C funktionieren,
ist die Reaktion der Elektroden extrem stark, kein Katalysator aus
einem teuren Edelmetall wie Platin notwendig, die Polarisation klein
und die Ausgangsspannung relativ hoch. Die Energieumwandlungseffizienz
ist dadurch im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen auffallend hoch.
Da die Bestandteile alle aus Feststoffen bestehen, weist die SOFC
zusätzlich
eine hohe Stabilität und
eine lange Lebensdauer auf.
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Wie oben erwähnt wurde, wurden, da die Bestandteile
der SOFC Feststoffe sind, SOFCs mit unterschiedlichen Strukturen
nahegelegt. Die SOFCs werden allgemein in planare und zylindrische
Typen eingeteilt (General Energy Engineerings, 13–2, 1990).
Da die elektromotorische Spannung einer Zelleneinheit in diesen
SOFCs in einem offenen Stromkreislauf etwa 1 V beträgt, und
die Stromdichte maximal bei mehreren hundert mA liegt, ist es wichtig, dass
die Zelleinheiten, die jeweils einen großen Stromerzeugungsbereich
aufweisen, in der praktischen Anwendung leicht parallel und in Serie
miteinander verbunden werden können.
Aus diesem Blickwinkel heraus muss die Struktur der Zelleinheiten und
ihre Stapelung (zusammengefügte
Zelle) betrachtet werden.
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Im Fall einer planaren Zelle jedoch
war es aufgrund der Sprödigkeit
des Keramikmaterials schwierig, Zelleinheiten mit einer hohen planaren Genauigkeit
und einem großen
Bereich herzustellen. Um dieses Problem zu lösen, wird ein Verfahren nahegelegt,
bei dem ein weiches Material zwischen die Zelleinheiten gegeben
wird, um die Zelleinheiten elektrisch miteinander zu verbinden (JP-A-3-55.764). Die
Größe der flachen
Keramikplatten, die einstückig herzustellen
sind, weist selbst hierbei jedoch eine Grenze auf, und die Struktur
ist kompliziert. Es ist daher schwierig, Zelleinheiten parallel
miteinander zu verbinden und somit auch die Stärke des Ausgangsstroms zu erhöhen. Darüber hinaus
ist es schwierig, die planaren Zelleinheiten an ihren Enden gasdicht abzudichten.
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Im Gegensatz dazu legte Westinghouse Electric
Corporation vor kurzem ein hochentwickeltes Herstellungsverfahren
für zylindrische
Zellen nahe, bei dem ein zylindrischer Zelltyp mit einer hohen strukturellen
Festigkeit eingesetzt wird, um die den Keramikstoffen innewohnende
Sprödigkeit
abzuschwächen,
und ein Ende der Zelleinheit geschlossen ist, um eine dichtungslose
Struktur auszubilden (General Energy Engineerings, 13–2, 1990).
Das Verfahren zeichnet sich des Weiteren dadurch aus, dass die Zelleinheiten
leicht parallel oder in Serie miteinander verbunden werden können.
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Da in dieser Struktur der Strom parallel
zum Trockenelektrolytfilm fließt,
ist der Stromfließweg lang
und es wird Energie in diesem Schritt verbraucht. Um ein derartiges
Problem zu lösen,
wird ein Verfahren nahegelegt, bei dem ein Stromfließweg an einer
anderen Stelle als in Umfangsrichtung des Abschnitts des Zylinders
bereitgestellt wird (japanische Patentoffenlegungsschrift 63.261.678).
Selbst in diesem Fall kann der Innenwiderstand der Zelle nicht auf ein
solches Maß verringert
werden, wie wenn der Strom vertikal zum Trockenelektrolytfilm transportiert wird.
Obwohl es das obige Verfahren erforderlich macht, dass auf dem porösen zylindrischen
Trägerelement
ein gasdichter Trockenelektrolytfilm ausgebildet wird, ist es notwendig,
eine Hochtechnologie zu verwenden, die eine geringe Herstellungsgeschwindigkeit
und hohe Produktionskosten aufweist, wie z. B. EVD.
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Da die SOFC bei hohen Temperaturen
von etwa 1.000°C
betrieben wird, besitzt sie den Vorteil, dass ein Kombinationserzeugungssystem
ausgebildet werden kann, indem die Abwärme der SOFC genutzt wird.
Obwohl das Brenngas und das Oxidationsgas gasdicht abgedichtet voneinander
getrennt sein müssen,
so dass sie sich nicht mischen, ist es jedoch schwierig, die Zelleinheiten
bei hohen Temperaturen gasdicht abzudichten. Das gasdichte Dichtungselement
wie eine Dichtung oder ein organisches Harz kann z. B. nur Temperaturen
bis zu 500°C standhalten.
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In jüngster Zeit wurden Dichtungsmittel
in Bezug auf planare Zelleinheiten nahegelegt (japanische Patentoffenlegungsschrift
2-278.664). Gemäß dieser
Publikation werden planare Zelleinheiten und Gastrennplatten alternativ
laminiert, ein Speicher wird um den Außenumfang jeder Zelleinheit
oder um den gesamten Außenumfang
des Laminats gebildet, und die Dichtung wird durch Einfüllen von
geschmolzenem Glas in den Speicher vorgenommen. Das Problem bei
diesem Verfahren liegt jedoch darin, dass bei wiederholtem Senken
und Erhöhen
der Temperatur sich das geschmolzene Glas wiederholt verfestigt und
schmilzt. Die Dichtung weist daher eine schlechte Haltbarkeit auf.
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Andererseits muss bei obiger zylindrischer Zelle,
hergestellt von Westinghouse Electric Corporation (General Energy
Engineerings, 13–2,
1990) ein Ende der zylindrischen Zelleinheit geschlossen sein. Vom
Standpunkt der Herstellbarkeit her ist es schwierig, ein Ende der
zylindrischen Zelleinheit mit einem Keramikmaterial zu schließen und
diesem Dichtungsabschnitt ausreichende Festigkeit zu verleihen, obwohl
die zylindrische Zelleinheit, deren gegenüberliegende Enden offen sind,
relativ einfach durch Extrusion bei hoher Leistungsfähigkeit
geformt werden kann. Darüber
hinaus müssen
beim Stromgenerator mit an einem Ende geschlossenen Zelleinheiten Oxidationsgas-Zuführrohre
aus einem hitzebeständigen
Material eingeführt
werden und in den Innenräumen
der jeweiligen Zelleinheiten befestigt werden. Aus diesem Grund
steigt die Anzahl an Bestandteilen stark an, so dass die notwendige
Arbeit zum Einführen
der Oxidationsgaszuführrohre
in die zugehörigen Zelleinheiten
enorm ist, wodurch die Massenproduktion erschwert wird.
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Ein Ziel der Erfindung ist es, einen
Stromgenerator bereitzustellen, der ein Brenngas von einem Oxidationsgas
in nicht-gemischtem Zustand trennen kann, der stabil über einen
langen Zeitraum betrieben werden kann, kein Abdichten jeder Zelleinheit,
wie in Längsrichtung
gesehen, erforderlich macht und keiner Oxidationsgaszuführrohre
(Zuleitungsrohre) zu den Oxidationsgasströmungswegen innerhalb der Zelleinheiten
bedarf.
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Die vorliegende Erfindung stellt
einen Stromgenerator nach Anspruch 1 bereit.
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Für
ein besseres Verständnis
der Erfindung wird auf die begleitenden Abbildungen verwiesen, wobei
die 1 bis 16 bereitgestellt und beschrieben werden,
um die Erklärung
der veranschaulichten Ausführungsformen
der Erfindung zu ergänzen
und worin:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Separators 1A ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Zellelements 2 ist;
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3 eine
Ansicht des Zellelements 2 von der Seite eines Brennstoffelektrodenfilms 4 her
betrachtet darstellt;
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4 eine
Schnittansicht des Separators 1A und des Zellelements 2 vor
dem Verbinden ist;
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5 eine
Schnittansicht einer Zelleinheit 7A ist;
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6 eine
Schnittansicht einer anderen Zelleinheit 7B ist;
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7 eine
Schnittansicht eines Teils des Stromgenerators ist, bei dem die
Zelleinheiten 7A zusammengebaut sind;
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8 eine
Teilschnittansicht des Stromgenerators in 7 ist, der in Längsrichtung der Zelleinheiten 7A durchgeschnitten
ist;
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9 eine
Schnittansicht einer weiteren Zelleinheit ist, die in Breitenrichtung
durchgeschnitten ist;
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10 eine
perspektivische Ansicht eines anderen Separators ist;
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11 eine
Ansicht eines Zellelements von einer Seite der Brennstoffelektrode 32 her
betrachtet darstellt;
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12 eine
Ansicht eines Zellelements von einer Seite der Luftelektrode 32 her
betrachtet darstellt;
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13 eine
Schnittansicht ist, die eine Luftelektrode 34A und einen
Separator 35A vor dem Verbinden veranschaulicht;
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14 eine
Schnittansicht ist, die einen abgedichteten Umfangsendabschnitt
des Zellelements darstellt;
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15 eine
Teilschnittansicht eines Teils eines Stromgenerators in einer Längsrichtung
der Zelleinheiten ist;
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16 eine
Schnittansicht eines Teils des Stromgenerators ist, der in eine
Breitenrichtung der Zelleinheiten durchgeschnitten ist;
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17 eine
Schnittansicht einer Zelleinheit 31B einer Ausführungsform
der Erfindung durchgeschnitten in eine Breitenrichtung davon veranschaulicht;
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18 eine
perspektivische Ansicht eines Separators 35C;
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19 eine
Schnittansicht einer Zelleinheit 31C, durchgeschnitten
in eine Längsrichtung
davon, ist;
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20 eine
Schnittansicht eines Teils eines anderen Stromgenerators als Ausführungsform
der Erfindung ist, der in Längsrichtung
der Zelleinheiten durchgeschnitten ist;
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21 eine
Schnittansicht eines Teils des Stromgenerators aus 20 ist, der in Längsrichtung der Zelleinheiten 31C durchgeschnitten
ist;
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22 eine
perspektivische Ansicht eines Separators 35C ist, bei dem
ein gasdurchlässiges Wärmematerial 56 in
die Oxidationgasströmungswege
eingefüllt
ist;
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23 eine
perspektivische Ansicht eines Separators 35D ist;
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24 eine
Schnittansicht eines Teils eines weiteren Stromgenerators als Ausführungsform
der Erfindung ist, der in eine Längsrichtung
der Zelleinheiten durchgeschnitten ist und bei dem die Zelleinheiten
zusammengebaut sind;
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25 eine
Schnittansicht eines Teils des Stromgenerators aus 24 ist, der in eine Breitenrichtung der
Zelleinheiten durchgeschnitten ist; und
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26 eine
Schnittansicht einer weiteren Zelleinheit ist, auf die die vorliegende
Erfindung anwendbar ist.
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Bezugnehmend auf die 1 bis 9 zeigt 1 eine perspektivische Ansicht
des Separators 1A. Der Separator weist eben betrachtet
eine rechteckige Form auf, und das Verhältnis der langen Seite zur
kurzen Seite der Rechteckgestalt ist nicht weniger als 2.
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Schlanke Vorsprünge 1b sind parallel
zueinander entlang der Kantenabschnitte der beiden langen Seiten
der vier Seiten des Separators 1A ausgebildet. An einer
kurzen Seite ist ein schlanker Vorsprung 1d ausgebildet,
und zwei Enden des Vorsprungs 1d verlaufen bis zu den Enden
der Vorsprünge 1b.
Ein äußerer Rahmen
des Separators 1A wird durch einen Körper 1a in Gestalt
einer ebenen Tafel, die eine rechteckige Parallelogrammform hat,
und zwei Vorsprünge 1b, 1b sowie
den Vorsprung 1d des Separators 1A ausgebildet.
Die Oberfläche
des Körpers
in Gestalt einer ebenen Tafel 1a weist z. B. vier Reihen
schlanker Trennwände 1c auf,
die parallel zueinander sowie zu den Vorsprüngen 1b sind. Ein Ende
jeder Trennwand 1c erstreckt sich bis zu einem Ende des
ebenen tafelartigen Körpers 1a,
und das andere Ende der Trennwand 1c verläuft bis
zum Vorsprung 1d.
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Der Separator 1A besteht
aus einem gasdichten Elektronenleiter. Da der Separator 1A dem Oxidationsgas
und dem Brenngas ausgesetzt ist, muss der Separator widerstandsfähig gegen
Oxidation und Reduktion sein. Als Material für den Separator kann LaCrO3-Keramikmaterial, Nickel-Zirconiumdioxid-Cermet,
das an dem dem Oxidationsgas ausgesetzten Abschnitt mit LaCrO3-Keramikmaterial beschichtet ist, angeführt werden.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht des Zellelements 2. 3 ist eine Ansicht des Zellelements 2 von
einer Seite des Luftelektrodenfilms 4 her gesehen. Der
planare Trockenelektrolyt 3 weist im Wesentlichen dieselbe
rechteckige planare Form wie der Separator 1A auf. Der
Luftelektrodenfilm 4 ist auf einer Oberfläche des
planaren Trockenelektrolyts 3 ausgebildet, und der Brennstoffelektrodenfilm 5 ist auf
der anderen Oberfläche
des Trockenelektrolyt 3 ausgebildet.
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Freigelegte Abschnitte 3a des
planaren Trockenelektrolyts 3 sind entlang der Kantenabschnitte der
beiden Längsseiten
des Trockenelektrolyts ausgebildet, und ein freigelegter Abschnitt 3b des
Trockenelektrolyts ist entlang eines Kanten abschnitts der kurzen
Seite ausgebildet. Die Größe jedes
der freigelegten Abschnitte 3a entspricht im Wesentlichen
der des Vorsprungs 1b, und die Größe des freigelegten Abschnitts 3b ist
im Wesentlichen gleich der des Vorsprungs 1d. Der planare
Trockenelektrolyt 3 muss gasdicht sein.
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Der Luftelektrodenfilm 4 kann
aus LaMnO3, CaMnO3,
LaNiO3, LaCoO3 oder
dergleichen bestehen, wobei diese legiert oder nicht legiert sein
können.
Von diesen Materialien wird mit Strontium versetztes LaMnO3 bevorzugt. Der planare Trockenelektrolyt 3 kann
im Allgemeinen aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid
oder dergleichen bestehen. Der Brennstoffelektrodenfilm kann im
Allgemeinen vorzugsweise aus Nickel-Zirconiumdioxid-Cermet oder
Cobalt-Zirconiumdioxid-Cermet
hergestellt sein.
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4 ist
eine Schnittansicht, die das Zellelement 2 und den Separator 1A vor
deren Verbindung veranschaulicht. Der Luftelektrodenfilm 4 des
Zellelements 2 liegt den Vorsprüngen 1c des Separators 1A gegenüber. Eine
verbindende Keramikpulverschicht 6 ist auf einer Oberfläche jedes
Vorsprungs 1b, 1c und 1d bereitgestellt.
Das Material der Pulverschicht 6 kann dasselbe Material
wie das des Luftelektrodenfilms 4 oder das des Separators 1A sein.
Zwei Vorsprünge 1b befinden
sich mit den freigelegten Abschnitten 3a, der Vorsprung 1d mit
dem Vorsprung 1d und der Vorsprung 1c mit dem
Luftelektrodenfilm 4 in Kontakt. Die Zelleinheitenanordnung
wird in diesem Zustand gebrannt, um eine Zelleinheit 7A,
gezeigt in 5, auszubilden.
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Rillen zwischen den angrenzenden
Vorsprüngen 1c bilden
Oxidationsgasströmungswege 8 in
der Zelleinheit 7A. Ein Ende des Oxidationsgasströmungswegs 8 ist
zur Außenseite
der Zelleinheit 7A hin offen, und das andere Ende ist mit
dem Vorsprung 1d verschlossen. Diese Oxidationsgasströmungswege 8 sind
vom Separator 1A und dem planaren Trockenelektrolyt 3 umgeben,
die beide gasdicht sind. Daher wird das Oxidationsgas durch keinen
anderen Abschnitt als die Öffnungen
der Oxidationsgasströmungswege 8 austreten.
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6 ist
eine Schnittansicht einer anderen Zelleinheit 7B, die in
eine Breitenrichtung der Zelleinheit ähnlich wie in 5 durchgeschnitten ist. Ein Zellelement
der Zelleinheit 7B ist dasselbe wie in 5. Der Separator 1B entspricht
dem Separator 1A, ausgenommen, dass kein Vorsprung 1c gegeben ist.
Im Separator 1B sind anstatt der Vorsprünge 1C schlanke quadratische
säulenartige
Trennwände 9 auf
einer Oberfläche
des ebenen tafelartigen Körpers bereitgestellt.
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Die Trennwände 9 dürfen nicht
aus einem Material hergestellt sein, das gegen die Reduktionsatmosphäre beständig ist.
Die Trennwände 9 können aus
einem Material bestehen, das stabil gegen Luft ist und eine hohe
elektrische Leitfähigkeit
aufweist, wie z. B. Lantaniummanganat, bei dem ein Teil einer A-Stelle
durch ein Erdalkalimetall ersetzt ist.
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Die Trennwände 9 sind parallel
zueinander sowie zu den Vorsprüngen 1b angeordnet,
und der Abstand zwischen den benachbarten Trennwänden 9 ist konstant.
Bevor das Zellelement 2 mit dem Separator 1B verbunden
wird, werden schlanke rechteckige säulenartige Rillen zwischen
den Trennwänden 9 und
zwischen den Trennwänden 9 und
den Vorsprüngen 1b definiert.
Der Separator 1B ist mit dem Zellelement 2 verbunden
und jede Trennwand 9 ist gleichzeitig mit dem Luftelektrodenfilm 4 verbunden.
Dadurch werden durch die obigen Rillen Oxidationsgasströmungswege 8 ausgebildet.
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Als nächstes wird ein Konstruktionsbeispiel für einen
Stromgenerator erläutert,
bei dem die oben erwähnten
Zelleinheiten zusammengebaut sind. 7 ist
eine Teilquerschnittsansicht des Stromgenerators, der in Breitenrichtung
der Zelleinheiten durchgeschnitten ist. 8 ist eine Teilquerschnittsansicht des
Stromgenerators aus 7,
der in Längsrichtung
der Zelleinheiten durchgeschnitten ist.
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Der gesamte Stromgenerator ist in
einem Behälter 13 eingebettet,
der eine im Wesentlichen rechteckige Parallelogrammform aufweist.
Eine Brenngaskammer 17, eine Stromerzeugungskammer 18,
eine Verbrennungskammer 19 und eine Oxidationsgaskammer 20 sind
im Inneren des Behälters 13 vorgesehen.
Ein Durchgangsloch 13a des Behälters 13 kommuniziert
mit der Brenngaskammer 17, und ein Durchgangsloch 13b kommuniziert
mit der Oxidationsgaskammer 20. Ein Durchgangsloch 13c kommuniziert
mit der Verbrennungskammer 19.
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Die Brenngaskammer 17 und
die Stromerzeugungskammer 18 sind durch eine Trennwand 21 geteilt,
und Brenngaszuführöffnungen 21a sind
in einem gegebenen Abstand in der Trennwand 21 bereitgestellt.
Die Stromerzeugungskammer 18 und die Verbrennungskammer 19 sind
durch eine Trennwand 16 geteilt, und Einführöffnungen 16a zum
Einführen der
Zelleinheiten sind in einem gegebenen Abstand in der Trennwand 16 bereitgestellt.
Die Verbrennungskammer 19 und die Oxidationsgaskammer 20 sind
durch eine Trennwand 22 geteilt, und Durchgangslöcher 22a sind
in der Trennwand 22 in einem gegebenen Abstand ausgebildet.
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Jede Zelleinheit 7A ist
in der Stromerzeugungskammer 18 aufgenommen, und der Vorsprung 1d ist
durch ein isolierendes Keramikfilzmaterial wie Aluminiumoxidfilz
stumpf an die Trennwand 21 angefügt. Jedes Ende der Zelleinheit 7A ist
auf der Seite der Öffnung 1e in
die Einführöffnung 16a eingebracht und
liegt in der Verbrennungskammer 19 frei. Als Ergebnis kommuniziert
jeder der Oxidationsgasströmungswege 8 mit
der Verbrennungskammer 19. Zwischen dem Innenumfang der Öffnung zum
Einführen der
Zelleinheiten 16a und dem Außenumfang der Zelleinheit 7A ist
ein geringer Zwischenraum um den im Wesentlichen gesamten Umfang
der Öffnung 19a zum
Einführen
der Zelleinheiten definiert. Ein Keramikfilzmaterial 24,
wie z. B. Aluminiumoxid ist in diesen Zwischenraum eingefüllt. Die
Zelleinheit 7A wird somit vom Keramikfilzmaterial 24 locker
gehalten.
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Eine planare Stromsammelplatte 14 ist
am Boden der Stromerzeugungskammer 18 des Behälters 13 angeordnet,
und eine Stromsammellage 15 ist auf der Stromsammelplatte 14 ausgebildet.
In dieser Ausführungsform
erstrecken sich die Zelleinheiten 7A in gegebenen Abständen sowohl
in vertikale als auch in laterale Richtungen. In 7 sind aus Platzgründen lediglich drei untere
vertikale Reihen von zusammengebauten Zelleinheiten und zwei linke Reihen
von allen Zelleinheiten veranschaulicht. Die Anzahl an Zelleinheiten 7A,
die in einer solchen Zellanordnung beinhaltet ist, kann natürlich geeignet ausgewählt werden.
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Die untersten Zelleinheiten sind
auf der Stromsammellage 15 in der Stromerzeugungskammer 18 angeordnet.
Da die Stromsammellage 15 der Form oder Verformung der
Zelleinheit 7A folgen muss, besteht die Stromsammellage
vorzugsweise aus einem elastischen und flexiblen Material. Die Reihen
an Zelleinheiten 7A sind nacheinander in einem gegebenen
Abstand auf den untersten Zelleinheiten 7A angeordnet,
so dass der Brennstoffelektrodenfilm 5 der Zelleinheit
dem ebenen tafelartigen Körper 1a der
vertikal angrenzenden Zelleinheit gegenüber liegt. Ein hitzebeständiger Leiter 11A ist
zwischen diese eingebracht, so dass der Brennstoffelektrodenfilm 5 der
Zelleinheit elektrisch mit dem ebenen tafelartigen Körper 1a der
vertikal angrenzenden Zelleinheit 7A in Kontakt steht.
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In 7 ist
ein schlanker hitzebeständiger Leiter 11B zwischen
die seitlich angrenzenden Zelleinheiten 7A eingeführt. Dadurch
werden die Separatoren 1A der Zelleinheiten 7A elektrisch
miteinander verbunden. Die hitzebeständigen Leiter 11A und 11B befinden
sich miteinander in Kontakt.
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Zylindrische Zuführrohre 12, die im
Wesentlichen denselben Innendurchmesser aufweisen wie die Durchgangsöffnungen 22a in
der Trennwand 22, sind in einem gegebenen Abstand an der
Trennwand 22 befestigt. Ein Innenraum jedes Zuführrohrs 12 kommuniziert über zugehörige Durchgangsöffnungen 22a mit
der Oxidationsgaskammer 20. Jedes Zuführrohr 12 ist über die
Verbrennungskammer und durch die (Öffnung 1e in den Oxidationsgasströmungsweg 8 eingebracht
und liegt auf dem flachen tafelartigen Körper 1a auf. Die Zuführöffnung 12a an der
Spitze jedes Zuführrohrs 12 liegt
dem Vorsprung mit einem gegebenen Abstand gegenüber.
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Als nächstes wird der Betrieb des
Stromgenerators mit Verweis auf 8 erklärt. Das
Oxidationsgas wird von außerhalb
des Behälters
durch das Durchgangsloch 13b in eine durch einen Pfeil
A angezeigte Richtung eingeführt
und durch die Oxidationsgaskammer 20 und das Durchgangsloch 22a in eine
durch Pfeil B angezeigte Richtung in das Zuführrohr 12 geleitet.
Anschließend
strömt
das Oxidationsgas innerhalb des Zuführrohrs 12 in eine
durch Pfeil C angezeigte Richtung und wird durch die Zuführöffnung 12a in
eine durch Pfeil D angezeigte Richtung in den Oxidationsgasströmungsweg 8 eingeführt. Das
Oxidationsgas trifft sofort auf den Vorsprung 1d und ändert seine
Strömungsrichtung,
wie durch Pfeil D angedeutet wird. Nun strömt das Oxidationsgas zwischen
dem Luftelektrodenfilm 4 und dem Zuführrohr 12 und wird
durch die Öffnung 1e in
die Verbrennungskammer 19 entlassen.
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Andererseits wird das Brenngas von
außerhalb
des Behälters 13 durch
das Durchgangsloch 13a in eine durch Pfeil E angezeigte
Richtung in die Brenngaskammer 17 eingeführt und
anschließend durch
die Brenngaszuführlöcher 21a in
die Stromerzeugungskammer 18 eingebracht.
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Danach strömt das Brenngas zwischen den hitzebeständigen Leitern 11A und 11B und
dann durch das Keramikfilzmaterial 24 und wird in die Verbrennungskammer 19 abgegeben.
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Das Oxidationsgas erzeugt während dem Betrieb
des Stromgenerators an der Berührungsfläche zwischen
dem Luftelektrodenfilm 4 und dem planaren Trockenelektrolyt 3 Sauerstoffionen
oder dergleichen. Die erzeugten Sauerstoffionen oder dergleichen
bewegen sich durch den planaren Trockenelektrolyt 3 zum Brennstoffelektrodenfilm 5 und
reagieren mit dem Brenngas und geben Elektronen an den Brennstoffelektrodenfilm 5 ab,
so dass zwischen dem Luftelektrodenfilm 4 und dem Brennstoffelektrodenfilm 5,
die als Anode bzw. Kathode dienen, ein Potentialunterschied entsteht.
Diese Zelleinheiten werden in Serie und parallel miteinander verbunden wie
oben erwähnt,
so dass über
das Stromabnehmelement 14 elektrischer Strom entnommen
werden kann.
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Der Stromgenerator ist so gestaltet,
dass das Brenngas aufgrund eines geringen Druckunterschieds zwischen
der Stromerzeugungskammer 18 und der Verbrennungskammer 19 geringfügig in die Verbrennungskammer 19 strömt, um ein Rückfließen des
Brenngases von der Verbrennungskammer 19 in die Stromerzeugungskammer 18 zu
verhindern. In obiger Reaktion erzeugter Dampf, Kohlendioxid, etc. ist
im durch die Stromerzeugungskammer 18 geströmten Brenngas
enthalten, und der Anteil an Brennstoff selbst ist reduziert. In
der Verbrennungskammer 19 wird das restliche Brensstoffgas
mit dem nach der Reaktion übriggebliebenen
Oxidationsgas verbrannt. Neues Oxidationsgas, das durch das Zuführrohr 12 strömt, wird
mit der Verbrennungswärme vorgewärmt. Das
Verbrennungsabgas wird durch die Durchgangslöcher 12 in eine durch
Pfeil G angezeigte Richtung abgelassen.
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Als Brenngas kann ein Gas, das einen Brennstoff
wie Wasserstoff, reformierter Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff
oder dergleichen enthält,
verwendet werden. Als Oxidationsgas kann ein Sauerstoff-hältiges Gas
verwendet werden.
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In der oben beschriebenen Konstruktion
können
folgende Effekte erzielt werden.
- (1) Da das
Zellelement 2 in Form einer ebenen Tafel vorliegt, kann
der Stromerzeugungsbereich, im Vergleich zu einer zylindrischen
SOFC (japanische Patentoffenlegungsschrift 57-11.356, etc.), wesentlich
vergrößert und
die erzeugte Strommenge pro Volumeneinheit erhöht werden.
- (2) Der planare Trockenelektrolyt 3 kann mittels eines
Tap-casing-Verfahrens oder einem Pressformverfahren hergestellt
werden. Das heißt,
der Trockenelektrolytfilm muss nicht durch ein Gasphasenverfahren
wie das elektrochemische Aufdampfverfahren (EVD, electrochemical
vapor deposition) oder das chemische Aufdampfverfahren (CVD, chemical
vapor deposition), wie es bei der Herstellung der zylindrischen
Zelleinheit der Fall ist, bereitgestellt werden. Dadurch kann die
Leistungsfähigkeit
des Trockenelektrolyts erhöht
werden, und die Reduktionskosten können im Vergleich zu herkömmlichen
Verfahren gesenkt werden.
- Angesichts obiger Erläuterungen
beträgt
die Dicke des planaren Trockenelektrolytfilms 3 vorzugsweise
nicht weniger als 10 μm,
jedoch nicht mehr als 500 μm,
und insbesondere nicht weniger als 50 μm und nicht mehr als 100 μm.
- (3) Der Separator 1A ist mit einer Vielzahl von Vorsprüngen 1C versehen,
die mit dem Luftelektrodenfilm 4 verbunden sind. Da der
Stromweg durch die Vorsprünge 1C des
Luftelektrodenfilms 4 verläuft, wird dadurch die Distanz,
die der Strom durch den und parallel zum Luftelektrodenfilm 4 strömt, verkürzt. Als
Ergebnis kann die Leistung der Zelleinheit erhöht werden, da der innere Widerstand
innerhalb des Luftelektrodenfilms 4 verringert wird.
- (4) Wie vorhergehend erwähnt,
ist die strukturelle Festigkeit hoch, da jeder Vorsprung 1C mit
dem planaren Zellelement 2 verbunden ist. Dadurch wird
die Zuverlässigkeit
vom Standpunkt der Zelleinheitsebene und der integrierten Zellebene
her verbessert. Der Grund dafür
liegt darin, dass die Zelleinheit 7A eine Mehrkanalstruktur
aufweist, d. h. eine Struktur, bei der kleine rechteckige säulenartige
Körper
kombiniert sind, und das dichte Keramikmaterial als ein wesentliches
Stützelement dient.
- (5) Wie oben erwähnt
wurde, wird innerhalb der Stromerzeugungskammer 18 ein
stärkerer
Druck erzeugt als in der Verbrennungskammer 19, so dass
das Brenngas nur in eine Richtung vom Oxidationsgasströmungsweg 8 in
die Verbrennungskammer 19 strömt. Aus diesem Grund ist es
nicht erforderlich, dass die vier Seiten der Zelleinheit 7A relativ
zur Öffnung 16a zum
Einführen
der Zelleinheit gasdicht oder stabil abgedichtet sind. Daher kommt
es aufgrund der Befestigung und Abdichtung in der Zelleinheit 7A weder
zu Zug noch zu Druck, und die Zuverlässigkeit des Strukturkörpers wird
erhöht.
- (6) Zudem wird jede Zelleinheit 7A durch hitzebeständige Leiter 11A und 11B,
die das Strömen
des Gases nicht behindern, und durch das Keramikfilzmaterial 24 locker
gehalten. Dadurch sinkt auf die Zelleinheit 7A wirkender
Druck, selbst wenn die Zelleinheit 7A einer Wärmeausdehnung
unterzogen wird.
- (7) Da die Stromerzeugungskammer 18 zwischen der Brenngaskammer 17 und
der Verbrennungskammer 19 bereitgestellt wird, berührt das
Oxidationgas das verbrauchte Brenngas, wobei der Brennstoffanteil 19 reduziert
worden ist und eine starke Strömung
etc. in der Brennstoffkammer 19 vorhanden ist. Deshalb
kommt es in der Nähe
der Öffnungen 1e lokal
weder zu einer raschen Verbrennung noch zu einer raschen Hitzebildung. Dementsprechend
muss nicht befürchtet
werden, dass der Endabschnitt der Zelleinheit aufgrund der lokalen
raschen Verbrennung oder Hitzebildung bricht.
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In der veranschaulichten oben beschriebenen
Konstruktion wird eine Zelleinheit mit einer rechteckigen Querschnittsform
verwendet. Es kann jedoch auch eine Zelleinheit mit einem Parallelogramm-
oder einem Rhombenquerschnitt verwendet werden. In solchen Fällen beträgt das Verhältnis von langer
Seite zu kurzer Seite vorzugsweise nicht weniger als 2.
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Die Querschnittsfläche jedes
Schnitts durch den Oxidationsgasströmungsweg ist in Breitenrichtung
vorzugsweise 0,1 bis 2 cm2.
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Der Grund dafür liegt darin, dass es, wenn die
Querschnittsfläche
weniger als 0,1 cm2 beträgt, schwierig ist ein Oxidationsgas-Einführrohr bereitzustellen.
Andererseits ist bei einer Querschnittsfläche von mehr als 2 cm2 das Volumen des Oxidationsgases innerhalb
der Zelleinheit so groß,
dass das Oxidationsgas in größerer Menge
als notwendig eingeführt
werden muss.
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Vorzugsweise besteht der hitzebeständige Stromabnehmer,
das das Strömen
des Gases nicht unterbricht, aus einem Filzmaterial, das durch Wirken hitzebeständiger metallischer
Fasern ausgebildet ist, oder einem Schwammmaterial, das zahlreiche
offene Zellen aufweist. Als Metall wird Nickel bevorzugt. Um das
Schwammmaterial herzustellen, wird z. B. das hitzebeständige metallische
Pulver mit einem Schaummittel und einem Bindemittel verknetet, und das
verknetete Material wird geformt und der Formkörper gebrannt.
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In dieser Konstruktion kann der Stromerzeugungsbereich,
da die Zelleinheit die Gestalt einer ebenen Tafel hat, deutlich
vergrößert werden
und die pro Volumeneinheit erzeugte Strommenge kann, im Vergleich
zur zylindrischen SOFC, erhöht
werden. Da zudem der planare Trockenelektrolyt durch ein Tap-casing-Verfahren oder ein
Pressformverfahren ausgebildet werden kann, kann, im Vergleich zur
zylindrischen SOFC, bei der der Trockenelektrolyt mittels EVD oder
dergleichen hergestellt werden muss, das Leistungsvermögen des
Trockenelektrolyts verbessert und dessen Herstellungskosten gesenkt
werden.
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Zusätzlich werden die schlanken
Vorsprünge aus
dichtem Elektronen-leitendem Keramikmaterial an drei Kantenabschnitten
des Separators ausgebildet, und diese schlanken Vorsprünge werden
gasdicht mit den drei Seiten des planaren Trockenelektrolyt ausgebildet.
Daher ist die Zelleinheit an drei Seiten gasdicht abgedichtet, so
dass das Oxidationsgas durch die verbleibende Seite in den Oxidationsgasströmungsweg
eingeführt
werden kann. Anders als bei der planaren SOFC ist es nicht notwendig,
dass der gesamte Umfang der Zelleinheit gasdicht abgedichtet ist
oder starr an einer gegebenen Position befestigt ist. Darüber hinaus
wird durch das Befestigen oder Abdichten kein Zug oder Druck auf
die Zelleinheiten ausgeübt,
da die Zelleinheiten durch elastische hitzebeständige Leiter verbunden sind.
Die Zuverlässigkeit
der Zelleinheiten ist daher hoch.
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Da der Separator mit einer Vielzahl
von Rillen ausgestattet ist, und diese Rillen die entsprechenden
Oxidationsgasströmungswege
ausbilden, kann weiters Strom von der Oberfläche des Luftelektrodenfilms
vertikal zwischen den benachbarten Rillen durch die Trennwände (Vorsprünge) fließen. Dadurch kann
die Distanz, die der Strom durch und parallel zum Luftelektrodenfilm
fließt,
stark verkürzt
werden. Da der Innen-Widerstand innerhalb des Luftelektrodenfilms
verringert werden kann, kann die Ausgangs-Leistung der Zelleinheit
verbessert werden. Darüber
hinaus kann – im
Vergleich zur herkömmlichen
ebenen tafelartigen SOFC – die
strukturelle Festigkeit der Zelleinheit wesentlich verbessert und die
Zuverlässigkeit
der Zelleinheit als Stapel erhöht werden,
da die Mehrkanalstruktur aus dichtem Material besteht.
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Als nächstes werden weitere Konstruktionen,
die für
die Erklärung
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung nützlich
sind, mit Verweis auf die 9 bis 16 beschrieben. 9 veranschaulicht eine Zelleinheit 31A,
die ein Zellelement und einen Separator 35A einschließt, und 10 zeigt den Separator 35A.
Der Separator 35A besitzt eine rechteckige ebene Gestalt,
und das Verhältnis
der langen Seite zur kurzen Seite beträgt vorzugsweise nicht weniger
als 2.
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Ein Paar schlanker Seitenwände 35h ist
auf der Oberfläche
der Kantenabschnitte eines planaren Körpers 35a ausgebildet,
der in Breitenrichtung davon eine rechteckige ebene Gestalt aufweist.
Die Seitenwände 35h sind
rechteckig säulenartig
geformt und erstrecken sich in Längsrichtung
von einem Ende des Separators zum anderen. Zwischen den Seitenwänden 35h sind
z. B. insgesamt drei Reihen paralleler Trennwände 35b bereitgestellt,
die jeweils eine rechteckige säulenartige
Gestalt aufweisen und sich in Längsrichtung
von einem Ende des Separators zum anderen erstrecken. Eine Endtrennwand 35c mit
einer rechteckigen säulenartigen
Gestalt ist an einem Ende des Separators 35A, wie in Längsrichtung
gesehen, ausgebildet. Die Endtrennwand 35c setzt sich in
den Trennwänden 35b und 35h fort. Insgesamt
vier Reihen paralleler Oxidationsgasströmungswege 36 sind
zwischen den Trennwänden 35b und
den Seitenwänden 35h definiert.
Ein Ende jedes Oxidationsgasströmungswegs 36 ist
durch die Trennwand 35c verschlossen, wie später erwähnt wird. Das
andere Ende jedes Oxidationsgasströmungswegs 36 ist offen.
Die Höhe
jeder Trennwand 35b ist in wesentlichen gleich wie die
Höhe der
Endtrennwand 35c gewählt.
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Der Separator 35A besteht
aus einem gasdichten Elektronenleiter. Zudem muss der Separator 35A,
da er dem Oxidationsgas und dem Brenngas ausgesetzt ist, einen Oxidations-
und Reduktionswiderstand aufweisen. Als Material für den Separator kann
LaCrO3-Keramikmaterial und Nickel-Zirconiumoxid-Cermet,
das an einem dem Oxidationsgas ausgesetzten Abschnitt mit LaCrO3-Keramikmaterial überzogen ist, angeführt werden.
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11 ist
eine Ansicht des Zellelements von einer Seite der Brennstoffelektrode 32 her
betrachtet. 12 ist eine
Ansicht der Zellelements von einer Seite der Luftelektrode 34A her
betrachtet.
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Ein dichter Trockenelektrolyt 33 weist
im Wesentlichen dieselbe ebene Gestalt wie der Separator 35A auf.
Der Brennstoffelektrodenfilm 32, der eine rechteckige ebene
Gestalt besitzt, ist auf der Oberfläche der Trockenelektrolytplatte 33 ausgebildet.
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Auf einer der Brennstoffelektrode 32 gegenüberliegenden
Oberfläche
des Trockenelektrolyt 33 ist auf ähnliche Art die Luftelektrode 34 mit
rechteckiger ebener Gestalt ausgebildet. Ein Paar schlanker Vorsprünge 33a und
ein schlanker Vorsprung 33a sind entlang der Umfangskanten
des Trockenelektrolyt angeordnet, auf denen keine Luftelektrode
vorhanden ist. Diese Vorsprünge 33a, 33a und 33 bilden einen
Teil des Trockenelektrolyts 33. Breitseitige Seitenflächen 34a der
Luftelektrode 34 sind durch die Vorsprünge 33a überdeckt
und sind der Außenseite nicht
ausgesetzt. Eine Endseitenfläche
des Luftelektrodenfilms 34A in Längsrichtung ist ebenfalls durch den
Vorsprung 33b überdeckt
und nicht der Außenseite
ausgesetzt.
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Als nächstes wird das Herstellungsverfahren dieser
Zelleinheit mit Verweis auf 13 beschrieben.
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Die Luftelektrode 34A kann
aus LaMnO3, CaMnO3,
LaNiO3, LaCoO3 oder
dergleichen bestehen, wobei diese dotiert oder nicht dotiert sein
können.
Von diesen Materialien wird mit Strontium versetztes LaMnO3 bevorzugt. Die Luftelektrode wird vorbereitend
gebrannt, um einen Porositätsgrad
von 20–35%
auszubilden, und mit dem getrennt geformten Separators 35A verbunden.
Beim Verbinden liegt die Luftelektrode 34A den Trennwänden 35b und 35c sowie
den Seitenwänden 35h gegenüber. Eine
verbindende Keramikpulverschicht 38 ist auf der Oberfläche jeder Trennwand 35b, 35c und
jeder Seitenwand 35h bereitgestellt. Die Keramikpulverschicht 38 kann
aus demselben Material wie die Luftelektrode 34A oder der
Separator 35A bestehen. Die Luftelektrode und der Separator
werden wärmebehandelt, wenn
die Trennwände 35b und 35c sowie
die Seitenwände 35h mit
der Luftelektrode 34A in Berührung sind, wodurch ein Laminat
erhalten wird, das sich aus der Luftelektrode und dem Separator
(Zwischenstück)
zusammensetzt.
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Der Trockenelektrolyt 33 wird
in der oben erwähnten
Gestalt ausgebildet, um die Luftelektrode 34A, die Luftelektrode
des Separatorlaminats und die Berührungsfläche zwischen der Luftelektrode
und dem Separator zu bedecken. Der Trockenelektrolyt kann z. B.
durch Flammspritzen oder Plasmaspritzen ausgebildet werden. Der
Brennstoffelektrodenfilm 32 wird, wie in 11 gezeigt wird, auf der Oberfläche des
Trockenelektrolyts 33 aufgebracht. Dadurch kann die Zelleinheit 31A wie
in den 9 und 14 dargestellt hergestellt
werden.
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In der Zelleinheit 31A ist
ein Ende des Oxidationsgasströmungswegs 36 mit
der Endtrennwand 35c verschlossen. Die Seitenfläche 34a der
Luftelektrode 34A und ein Teil der Außenwandfläche 35g des Separators 35A in
Breitenrichtung ist mit dem schlanken Vorsprung 33a überdeckt.
Die Seitenfläche 34b des
Endes der Luftelektrode 34A in Längsrichtung und ein Teil der
Außenwandfläche 35c der
Endtrennwand 35C sind mit dem schlanken Vorsprung 33b überdeckt.
Der Oxidationsgasströmungsweg 36 und die
Seitenflächen 34a und 34b der
Luftelektrode 34A sind vom Separator 35A und dem
Trockenelektrolyt 33 umgeben, die beide gasdicht sind.
Das Oxidationsgas tritt daher durch keinen anderen Abschnitt als die Öffnung des
Oxidationsgasströmungswegs 36 aus.
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Als nächstes wird ein Konstruktionbeispiel eines
Stromgenerators erklärt,
bei dem die oben erwähnten
Zelleinheiten zusammengefügt
sind. 15 ist eine Teilschnittansicht
des Stromgenerators, der in Längsrichtung
der Zelleinheiten durchgeschnitten ist. 16 ist eine Schnittansicht eines Teils
des Stromgenerators, der in Breitenrichtung der Zelleinheiten durchgeschnitten
ist.
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Der gesamte Stromgenerator ist in
einem Behälter 40 untergebracht,
der eine im Wesentlichen rechteckige Parallelogrammform aufweist.
Eine Brenngaskammer 48, eine Stromerzeugungskammer 47,
eine Verbrennungskammer 46 und eine Oxidationsgaskammer 45 sind
im Inneren des Behälters 40 bereitgestellt.
Ein Durchgangsloch 40c, ein Durchgangsloch 40b und
ein Durchgangsloch 40a, die im Behälter 40 angeordnet
sind, kommunizieren jeweils mit der Brenngaskammer 48,
der Oxidationsgaskammer 45 und der Verbrennungskammer 46.
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Die Brenngaskammer 48 ist
durch eine Trennwand 44 von der Stromerzeugungskammer 47 getrennt.
Brenngaszuführöffnungen 47 sind
in einem gegebenen Intervall in der Trennwand 44 bereitgestellt.
Die Stromerzeugungskammer 47 ist durch eine Trennwand 42 von
der Verbrennungskammer 46 getrennt. Öffnungen 42a zum Einführen der
Zelleinheiten sind in einem gegebenen Intervall in der Trennwand 42 angeordnet.
Der Verbrennungskammer 46 ist durch eine Trennwand 41 von
der Oxidationsgaskammer 45 getrennt, und Durchgangslöcher 41a sind in
einem gegebenen Intervall in der Trennwand 41 vorgesehen.
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Jede Zelleinheit 31A ist
in der Stromerzeugungskammer 47 angeordnet, und ein Ende
der Zelleinheit 31A ist durch ein isolierendes Keramikfilzmaterial
wie Aluminiumoxidfilz stumpf an die Trennwand 44 angefügt. Das
andere Ende jeder Zelleinheit 31A wird auf einer Seite
der Öffnung 38 durch
die Öffnung 42a zum
Einführen
der Zelleinheiten geführt
und der Verbrennungskammer 46 ausgesetzt. Dadurch kommuniziert
jeder Oxidationsgasströmungsweg 36 mit der
Verbrennungskammer 46. Zwischen der Öffnung 42a zum Einführen der
Zelleinheiten und dem Außenumfang
der Zelleinheit 31A ist im Wesentlichen um die gesamte
Umfangsfläche
der Zelleinführöffnung 41a ein
kleiner Zwischenraum ausgebildet, und in diesen Zwischenraum ist
ein Puffermaterial 43 eingefüllt. Ein Ende jeder Zelleinheit 31A wird
somit lose vom Puffermaterial 43 gehalten. Als Puffermaterial 43 wird
bevorzugt Keramikfilzmaterial wie Aluminiumoxidfilz eingesetzt.
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Auf dem Boden der Stromerzeugungskammer 47 des
Behälters 40 ist
eine planare Stromsammelplatte 49 angeordnet, und eine
Lage 50 eines Stromsammelmaterials 50 ist auf
der Stromsammelplatte 49 bereitgestellt. In dieser Ausführungsform sind
die Zelleinheiten 31A in gegebenen Intervallen in vertikaler
und lateraler Richtung angeordnet. In 16 sind
aus Platzgründen
lediglich drei untere Reihen und zwei linke Reihen der Zelleinheiten
der integrierten Zelle dargestellt. Die Anzahl an Zelleinheiten 31A,
die in der integrierten Zelle enthalten sind, kann natürlich geeignet
ausgewählt
werden.
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Die untersten Zelleinheiten 31A sind
auf der Stromsammellage 50 innerhalb der Stromerzeugungskammer 47 positioniert.
Damit die Stromsammellage 50 der Gestalt oder Verformung
der Zelleinheit 31A folgen kann, ist die Stromsammellage 50 vorzugsweise
elastisch und flexibel. Weitere Zelleinheiten 31A sind
nacheinander in einem gegebenen Intervall über den untersten Zelleinheiten 31A angeordnet,
während
die Brennstoffelektrode 32 der Zelleinheit 31A dem
ebenen tafelartigen Körper 35a der vertikal
angrenzenden Zelleinheit 341A gegenüberliegt. Hitzebeständige Leiter 51A,
die im Wesentlichen die Gestalt einer ebenen Tafel aufweisen, sind zwischen
die angrenzenden Zelleinheiten 31A eingeführt, so
dass die Brennstoffelektroden der Zelleinheiten 31A jeweils
mit den ebenen tafelartigen Körpern
der vertikal angrenzenden Zelleinheiten elektrisch verbunden sind.
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In 16 sind
schlanke hitzebeständige
Leiter 51B zwischen die seitlich angrenzenden Zelleinheiten 31A eingeführt. Dadurch
werden die Separatoren 35A der Zelleinheiten 31A elektrisch
miteinander verbunden. Hierbei wird verhindert, dass die hitzebeständigen Leiter 51A die
hitzebeständigen
Leiter 51B berühren.
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Zylindrische Zuführrohre 39, die im
Wesentlichen denselben Innendurchmesser wie das Durchgangsloch 41a der
Trennwand 41a aufweisen, sind in einem gegebenen Intervall
an den Trennwänden 41 befestigt.
Der Innenraum jedes Zuführrohrs 39 kommuniziert über das
Durchgangsloch 41a mit der Oxidationsgaskammer 45.
Jedes Zuführrohr 39 verläuft durch
die Verbrennungskammer 46 und ist durch die Öffnung 38 in
den Oxidationsgasströmungsweg 36 eingebracht.
Das Zuführrohr 39 liegt
auf dem ebenen tafelartigen Körper 5a auf.
Eine Zuführöffnung an
der Spitze jedes Zuführrohrs 39 liegt
der Endtrennwand 35c gegenüber.
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Da der Betrieb dieses Stromgenerators
im Wesentlichen gleich ist wie beim in den 7 und 8 dargestellten
Stromgenerator, wird dessen Erläuterung
weggelassen. In der in den 15 und 16 veranschaulichten Konstruktion
kann als Brennstoff – wie
in der Ausführungsform
in den 7 und 8 – auch Wasserstoff, reformierter
Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoff eingesetzt werden. Als
Oxidationsgas kann ein Sauerstoff-hältiges Gas verwendet werden.
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In der Konstruktion der 15 und 16 können
im Wesentlichen dieselben Wirkungen wie in den Punkten (1) bis (7)
in Zusammenhang mit den 1–8 angeführt erzielt werden.
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Als nächstes wird eine Ausführungsform
der Erfindung erläutert.
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17 ist
eine Schnittansicht einer Zelleinheit 31B, die in wie in 9 in Breitenrichtung der Zelleinheit
durchgeschnitten ist. In dieser Ausführungsform stimmen die Konstruktion
und das Herstellungsverfahren des Trockenelektrolyt 33 und
der Brennstoffelektrode 32 mit denen der Ausführungsform
der 9–14 überein. Die Gestalt der Luftelektrode 34B und
des Separators 35B unterscheiden sich jedoch von ersterer
Ausführungsform.
Das heißt, Seitenwände 35h sind
in Breitenrichtung an beiden Kanten des ebenen tafelartigen Körpers 35a des
Separators 35B bereitgestellt. Zudem ist die Luftelektrode 34B mit
einer Vielzahl von Trennwänden 34c ausgestattet.
Durch das Verbinden der Seitenwände
mit der Luftelektrode und das Verbinden der Trennwände der
Luftelektrode mit dem Separator werden zwischen den Seitenwänden 35h und
den Trennwänden 34c Oxidationsgasströmungswege 36 definiert.
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Die weitere Konstruktion der Zelleinheit 31B, die
eine solche breitseitige Schnittstruktur aufweist, kann im Wesentlichen
wie die der Zelleinheit 31A erfolgen.
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Nun wird eine weitere Ausführungsform
der Zelleinheit, bei der Oxidationsgasströmungswege in gegenüberliegenden
Richtungen geöffnet
sind, sowie eine zusammengefügte
Anordnung solcher Zelleinheiten erläutert.
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18 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Separators 35C, der
in dieser Zelleinheit verwendet wird, und 19 ist eine Schnittansicht der Zelleinheit 31C,
die in Längsrichtung
durchgeschnitten ist.
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Bei diesem Separator 35C sind
ein Paar Seitenwände 35h und
z. B. drei Reihen Trennwände 35b parallel
auf einer Oberfläche
des ebenen tafelartigen Körpers 35a ausgebildet.
In dieser Ausführungsform erstreckt
sich jede Trennwand 35b und jede Seitenwand 35h von
einem Ende des Separators zum andere Ende, wie in Längsrichtung
gesehen. Jeder der Trennwände 35b besitzt
eine rechteckige säulenartige
Gestalt, und Oxidationsgasströmungswege 36, die
ebenfalls eine rechteckige säulenartige
Gestalt aufweisen, sind zwischen den Trennwänden 35b und den Seitenwänden 35h definiert.
Jeder Oxidationsgasströmungsweg 36 erstreckt
sich linear in Längsrichtung
von einem Ende des Separators zum anderen. In 18 kennzeichnen die Bezugszeichen 54 und 55 einen
Vorheizbereich bzw. einen Stromerzeugungsbereich, die später beschrieben
werden.
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Eine Luftelektrode 34A weist
im Wesentlichen dieselbe ebene Form auf wie der Separator 35C und
ist mit den Endflächen
der Trennwände 35b und der
Seitenwände 35h verbunden.
Ein Trockenelektrolyts 53 ist auf einer Oberfläche der
Luftelektrode 34A bereitgestellt, und eine Brennstoffelektrode 32 ist
auf der Oberfläche
des Trockenelektrolyt 53 ausgebildet. Die Zelleinheit 31C besitzt
im Wesentlichen dieselbe breitseitige Querschnittsform auf wie die Zelleinheit 31A in 9. Die Oxidationsgasströmungswege 36 sind,
wie in Längsrichtung
der Zelleinheit 31C gesehen, an gegenüberliegenden Enden offen. Die
Luftelektrode 34A ist durch den Trockenelektrolyt 53 in
Breitenrichtung des Separators 35C wie in 9 überdeckt,
die Luftelektrode 34A ist jedoch an, wie in Längsrichtung
des Separators gesehen, gegenüberliegenden
Enden nicht durch den Trockenelektrolyt
53 überdeckt.
Da diese Öffnungen einer
Oxidationsgaskammer oder einer Verbrennungskammer ausgesetzt sind,
muss die Oberfläche der
porösen
Luftelektrode 34A dort nicht mit einem dichten Material überzogen
sein.
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Die 20 und 21 sind Schnittansichten
eines Teils eines Stromgenerators, bei dem derartige Zelleinheiten 31C zusammengefügt sind.
In 20 sind aus Platzgründen im
Stromgenerator lediglich drei untere Reihen und zwei linke Reihen
der Zelleinheiten 31C dargestellt. In 21 sind nur die drei untersten Reihen
der Zelleinheiten veranschaulicht.
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Durchgangslöcher 60a und 60b sind
in gegenüberliegenden
Seitenwänden
eines Behälters 60 bereitgestellt,
der eine im Wesentlichen rechteckige Parallelogrammform aufweist
und aus einem dichten Material besteht. Eine Brenngaskammer 67,
eine Oxidationsgaskammer 68, eine Stromerzeugungskammer 70 und
eine Verbrennungskammer 69 sind im Behälter 60 nacheinander
von der rechten Seite in 21 betrachtet
angeordnet. Die Verbrennungsgaskammer 67 ist durch eine
gasdichte Trennwand 63 von der Oxidationsgaskammer 68 abgetrennt,
und die Oxidationsgaskammer 68 ist durch eine gasdichte
Trennwand 64 von der Stromerzeugungskammer 70 abgetrennt.
Die Stromerzeugungskammer 70 ist durch eine Trennwand 66 von
der Verbrennungskammer 69 abgetrennt.
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Die Stromerzeugungskammer 70 ist
in einen Vorheizbereich 54 und einen Stromerzeugungsbereich 55 unterteilt.
Der Vorheizbereich 54 ist an einer Seite der Trennwand 64 angeordnet,
und der Stromerzeugungsbereich ist an einer Seite der Trennwand 66 angeordnet.
Ein Zuführrohr 61 verläuft durch
die Brenngaskammer 67, und der Innenraum des Zuführrohrs 61 kommuniziert
mit der Oxidationsgaskammer 68. Durchgangslöcher 64a und Öffnungen 64b zum
Einführen
der Zelleinheiten sind in der gasdichten Trennwand 64 ausgebildet.
Zuführrohre 62 verlaufen
durch die Oxidationsgaskammer 68, und der Innenraum jedes
der Zuführrohre 66 kommuniziert
mit der Brenngaskammer 67. Der Innendurchmesser jedes Zuführrohrs 62 ist
im Wesentlichen gleich wie der des Durchgangslochs 64a, und
jedes Zuführrohr 62 stimmt
positionell mit dem Durchgangsloch 34a überein. Jedes Durchgangsloch 34a liegt
dem Vorheizbereich 54 gegenüber.
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Die Gestalt und die Dimensionen der Öffnung 64b zum
Einführen
der Zelleinheit entspricht im Wesentlichen der der Zelleinheit 31C,
wie in Breitenrichtung gesehen. In 21 ist
eine Zelleinheit 31C in einer Schnittansicht dargestellt,
und zwei Zelleinheiten 31C sind jeweils zur leichteren
Darstellung in einer ebenen Ansicht dargestellt. Dementsprechend ist
in 20 eines der Durchgangslöcher 64b geschnitten
dargestellt und die anderen beiden sind mit punktierten Linien veranschaulicht.
Die Öffnungen 64b zum
Einführen
der Zelleinheit sind regelmäßig zwischen
den Durchgangslöchern 64a bereitgestellt. Die Öffnungen 66a zum
Einführen
der Zelleinheiten sind in einem gegebenen Intervall in den Trennwänden 66 angeordnet.
Die Dimensionen jeder Öffnung 66a zum
Einführen
der Zelleinheiten sind leicht größer als
die der Zelleinheit 31C, wie in Breitenrichtung gesehen.
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Ein Ende jeder Zelleinheit 31C ist
in die Öffnung 66b zum
Einführen
der Zelleinheiten eingebracht, und das andere Ende ist in die Öffnung 66a zum
Einführen
der Zelleinheiten eingeführt.
Dadurch wird jede Zelleinheit 31C zwischen den Trennwänden 64 und 66 gehalten.
Zwischen der Zelleinheit 31C und der Öffnung 64b zum Einführen der
Zelleinheiten erfolgt eine gasdichte Abdichtung, so dass weder das Brenngas
noch das Oxidationsgas austreten können. Um eine solche gasdichte
Abdichtung auszubilden, wird vorgeschlagen, dass eine Dichtung verwendet wird
oder ein Zwischenraum zwischen der Zelleinheit und der Öffnung zum
Einführen
der Zelleinheit mit einem organischen Harz abgedichtet wird.
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Zwischen der inneren Umfangsfläche der Öffnung 66a zum
Einführen
der Zelleinheit und der äußeren Umfangsfläche der
Zelleinheit 31C befindet sich um den gesamten Umfang der Öffnung 66a zum Einführen der
Zelleinheit herum ein kleiner Zwischenraum. Ein Puffermaterial 43,
das das Strömen
des Gases nicht unterbricht, wird in diesen Zwischenraum eingefüllt. Das
linke Ende der Zelleinheit 31C, wie in 21 ersichtlich ist, wird lose auf der
Trennwand 66 durch eine Puffermaterialschicht 43 getragen.
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Im Vorheizbereich 54 ist
das gasdurchlässige
Isoliermaterial 65 in die Zwischenräume, die zwischen den vertikal
angrenzenden Zelleinheiten 31C und zwischen den lateral
angrenzenden Zelleinheiten 31C definiert sind, eingefüllt. Das
wärmeisolierende
Material 65 dient daher als Stützmaterial für die Zelleinheiten.
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Der Stromerzeugungsbereich 55 weist
dieselbe Konstruktion wie in 16 auf.
Das heißt,
die Brennstoffelektrode 32 der Zelleinheit 31C ist
durch den hitzebeständigen
Leiter 51A mit dem Separator 35C der vertikal
angrenzenden Zelleinheit 31C elektrisch verbunden. Der
Separator 35C der untersten Zelleinheit 31C ist
durch den hitzebeständigen
Leiter 51A elektrisch mit der Stromsammelplatte 49A verbunden.
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Der Betrieb dieses Stromgenerators
wird untenstehend beschrieben werden.
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Das Brenngas wird durch das Durchgangsloch 60a in
eine durch den Pfeil 1 angezeigte Richtung in die Brenngaskammer 67 und
dann in eine durch Pfeil J angezeigte Richtung in die Zuführrohre 62 eingeführt. Anschließend strömt das Brenngas durch
das Zuführrohr 62,
das Durchgangsloch 34a und den Vorheizbereich 54a,
fließt
durch den Stromerzeugungsbereich 55 und tritt dann durch
das Puffermaterial 43 in Richtung des Pfeils K in die Verbrennungskammer 69 ein.
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Andererseits tritt das Oxidationsgas über das Zuführrohr 61 in
Richtung des Pfeils L in die Oxidationsgaskammer 68 ein
und strömt
in Richtung des Pfeils M in die Oxidationsgasströmungswege 36. Anschließend strömt das Oxidationsgas
nach und nach durch den Vorheizbereich 54 und den Stromerzeugungsbereich 55 und
tritt in Richtung des Pfeils N in die Verbrennungskammer 69 ein.
In der Verbrennungskammer 69 wird das restliche Brenngas
mit dem restlichen Oxidationsgas verbrannt. Das Verbrennungsabgas
wird durch das Durchgangsloch 60b in Richtung des Pfeils
P abgelassen.
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Durch die Zelleinheit und den Stromgenerator
dieser Ausführungsform
können
die Wirkungen (1) bis (7) der Konstruktion aus
den 1–8 erzielt werden. Das rechte Ende
der Zelleinheit 31C ist jedoch starr am Stromgenerator
der 20 und 21 befestigt.
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Was in Bezug auf die Zelleinheit 31C,
die in dieser Ausführungsform
verwendet wird, noch wichtiger ist, ist dass ein Ende des Oxidationsgasströmungswegs 36 nicht
geschlossen ist, und die gegenüberliegenden
Enden offen sind. Zudem weist der Separator 35C eine solche
Gestalt auf, dass er relativ einfach durch Extrusion oder dergleichen
ausgebildet werden kann. Wenn ein Ende des Oxidationsgasströmungswegs 36 geschlossen
ist, ist es relativ schwierig, einen Separator mit einer solchen
Struktur zu formen sowie dem geschlossenen Ende ausreichend Festigkeit
zu verleihen. Die an beiden Enden offene Zelleinheit 31C ist
daher vom Standpunkt des Herstellungsverfahrens her vorteilhaft.
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Die Zelleinheiten 31C können zusammengebaut
und im Stromgenerator mit der in den 20 und 21 dargestellten Konstruktionsform
gut eingesetzt werden. Da der auf diese Weise hergestellte Stromgenerator
sehr spezielle Charakteristika aufweist, wird seine Funktion und
Wirkung detaillierter beschrieben.
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Beim Betrieb der Oxid-Brennstoff-Trockenelektrode
ist es wichtig, dass das Brenngas von Oxidationsgas getrennt ist.
Die Dichtung zwischen den Bestandteilen muss daher gasdicht sein.
Um eine solche gasdichte Dichtung herzustellen, können Dichtungen
oder organische Dichtungsmaterialien verwendet werden.
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Die Temperatur innerhalb der Stromerzeugungskammer
steigt während
dem Betrieb auf bis zu 1.000°C
oder dergleichen an. Das oben erwähnte gasdichte Dichtungsmaterial
ist jedoch bei so hohen Temperaturen schwierig zu verwenden, da
das gasdichte Dichtungsmaterial nur gegen Temperaturen von nicht
mehr als 500°C
beständig
ist.
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Eine dichtungslose Struktur macht
es daher unnötig,
obige gasdichte Dichtung im Stromgenerator, der wie in 15 dargestellt konstruiert
ist, zu verwenden. Um eine solche dichtungslose Struktur umzusetzen,
muss ein Ende der Zelleinheit 1A am Eckabschnitt mit den Trennwänden 35c versiegelt sein.
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Im Unterschied dazu wird die Dichtung
zwischen der Trennwand 64 und dem Ende der Zelleinheit 31C in
dieser Ausführungsform
gasdicht ausgeführt.
Damit das Brenngas strömen
kann, ist keine gasdichte Dichtung an der Seite der Trennwand 66 notwendig.
In diesem Fall wird der Stromerzeugungsbereich 55 auf eine
hohe Temperatur um etwa 1.000°C
erhitzt. Aus diesem Grund wird der Vorheizbereich 54 durch
Anordnen des wärmeisolierenden Materials 65 zwischen
der Trennwand 64 und dem Stromerzeugungsbereich 62 ausgebildet.
Die Temperatur innerhalb des Vorheizbereichs 54 sinkt zur Trennwand 64 hin
rasch ab. Um obige gasdichte Abdichtung der Trennwand 64 zu
bewirken, muss die Temperatur des abgedichteten Abschnitts weit
unter der im Stromerzeugungsbereich 55 festgelegt werden,
vorzugsweise z. B. bei 500°C
oder weniger. Wenn die Temperatur des abgedichteten Abschnitts bei
nicht mehr als 350°C
liegt, kann die Bandbreite an verwendbaren Dichtungsharzmaterialien
erweitert werden. Wenn die Temperatur jedoch auf weniger als 100°C festgelegt
wird, muss die Länge
des Vorheizbereichs 54 vergrößert werden, so dass die Menge an
pro Volumeneinheit erzeugtem Strom abnimmt. Daher liegt die Temperatur
vorzugsweise in einem Bereich von 100°C bis 350°C. Das Brenngas und das Oxidationsgas
werden vorbereitend erhitzt während sie
durch den Vorheizbereich 54 strömen.
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In der veranschaulichten Ausführungsform können als
wärmeisolierendes
Material 35 poröse Aluminiumoxidblöcke, Laminate
aus Aluminiumoxidfilzlagen oder ein Verbundmaterial von diesen verwendet
werden.
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In der Ausführungsform ist das Ende der
Zelleinheit 31C in die Öffnung 64b zum
Einführen
der Zelleinheit eingebracht. Statt dessen ist die Anschlussendfläche der
Zelleinheit 31C stumpf an die gasdichte Trennwand 64 angefügt, um zwischen
diesen eine gasdichte Dichtung auszubilden. In diesem Fall müssen Löcher für das Oxidationsgas
in der gasdichten Trennwand 64 angeordnet sein.
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In der in 19 dargestellten Zelleinheit befindet
sich kein Hindernis im Oxidationsgasströmungsweg 36, und kein
Oxidationsgas wird für
die Stromerzeugung im Vorheizbereich 24 verbraucht.
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Wie in 22 gezeigt
wird, ist das gasdurchlässige
wärmeisolierende
Material 56 in den Vorheizbereich 54 eingefüllt. Als
wärmeisolierendes
Material 56 können
vorzugsweise ein poröses
Keramikmaterial, Keramikfasern oder dergleichen verwendet werden.
Wenn das gasdurchlässige
wärmeisolierende Material 56 in
den Vorheizbereich 54 eingefüllt wird, kann ein Großteil der
Hitze im Stromerzeugungsbereich 55 wirksam absorbiert werden,
um den Wärmeisolationseffekt
zu verbessern und die Temperatur des gasdichten Dichtungsabschnitts
weiter abzusenken. Gleichzeitig kann das Oxidationsgas, während es
durch das wärmeisolierende
Material 56 strömt und
Wärme absorbiert
hat, wirksamer vorgeheizt werden. Die Distanz, die das Oxidationsgas
durchströmt,
ist im Vergleich dazu, wenn kein wärmeisolierendes Material 56 bereitgestellt
wird, länger.
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Darüber hinaus kann ein in 23 dargestellter Separator 35D verwendet
werden. Bei diesem Separator 35D sind ein Paar Seitenwände 35h parallel
zueinander auf der Oberfläche
des Separators in einander gegenüberliegenden
Endabschnitten des Separators, wie in Breitenrichtung gesehen, ausgebildet.
In einem Stromerzeugungsbereich 55 sind z. B. insgesamt
drei Reihen rechteckiger säulenartiger
Trennwände 35b in
Längsrichtung
des Separators und parallel zueinander zwischen einem Paar Seitenwänden 35h ausgebildet.
Im Stromerzeugungsbereich sind vier Reihen an Oxidationsgasströmungswegen 36 parallel
zueinander angeordnet.
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Im Vorheizbereich 24 sind
die Oxidationsgasströmungswege
in komplexer Weise gebogen. Zuerst erstrecken sich drei Reihen an
Trennwänden 35f,
die eine rechteckige säulenartige
Gestalt aufweisen, an einer Einlassseite des Vorheizabschnitts der Zelleinheit
abwechselnd von einander gegenüberliegenden
Seiten des Separators 35D und sind in einem Bereich von
einem Ende des Separators hin zum Stromerzeugungsbereich angeordnet.
Die Trennwände 35f sind
zueinander parallel und erstrecken sich orthogonal zur Längsrichtung
des Separators 35D. Ein Ende der Trennwand 35f ist
einstückig
mit einer Seitenwand des Paars an Seitenwänden 35h ausgebildet,
und das andere Ende der Trennwand bildet einen kleinen Zwischenraum
zwischen der anderen Seitenwand 35h. Ein Oxidationsgasströmungsweg 36A ist
zwischen den drei Reihen an Trennwänden 35f ausgebildet.
Der Oxidationsgasströmungsweg 36A erstreckt
sich in Zickzackform zwischen den Seitenwänden 35f.
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Zwischen den Trennwänden 35f und
den Trennwänden 35d sind
insgesamt vier Trennwände 35e ausgebildet,
die jeweils eine rechteckige Parallelogrammform aufweisen. Diese
insgesamt vier Trennwände 35e mit
geringer Breite sind in Breitenrichtung des Separators 35D in
Form einer Reihe angeordnet, und zwei breitseitig äußere Trennwände 35e sind
in den Seitenwänden 35h integriert.
Zwischen den benachbarten Trennwänden 35e sind
an insgesamt drei Stellen kurze Oxidationsgasströmungswege 36 ausgebildet.
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In dieser Ausführungsform ist die Distanz, die
das Oxidationsgas durchströmt,
da sich der Oxidationsgasströmungsweg
in Zickzackform erstreckt und im Vorheizbereich 54 gebogen
ist, deutlich länger
als wenn der Oxidationsgasströmungsweg
gerade verläuft.
Dadurch kann das Oxidationsgas wirksamer vorgeheizt werden.
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Da bei dem in der 23 dargestellten Separator 35D kein
Extrusionsformverfahren angewendet werden kann, fällt jedoch
die Produktivität
im Vergleich zum Separator aus 21 stark
ab.
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In den oben erwähnten Ausführungsformen werden rechteckige
ebene Zelleinheiten verwendet. Die ebene Gestalt der Zelleinheit
kann ein Parallelogramm sein. In diesem Fall ist es vorzuziehen,
dass das Verhältnis
von langer Seite zu kurzer Seite nicht weniger als 2 beträgt.
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Zudem liegt die Querschnittsfläche des
Oxidationsgasströmungswegs
in Breitenrichtung geschnitten bei 0,1 bis 2 cm2.
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Der Grund dafür liegt darin, dass es bei
einer Querschnittsfläche
von weniger als 0,1 cm2 schwer ist, ein
Oxidationsgaszuführrohr
bereitzustellen. Andererseits ist bei einer Querschnittsfläche von
mehr als 2 cm2 das Volumen für das Oxidationsgas
in der Zelleinheit so groß,
dass eine große
Menge an Oxidationsgas eingeführt
werden muss, die weit über dem
Notwendigen liegt.
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Wenn eine Zelleinheit des Typs verwendet wird,
bei dem bei der Anordnung im Stromgenerator kein Zuführrohr notwendig
ist, beträgt
die Querschnittsfläche
des Oxidationsgasströmungswegs,
in Breitenrichtung durchgeschnitten, vorzugsweise 0,01 bis 2 cm2.
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Der hitzebeständige Leiter, der das Strömen des
Gases nicht unterbricht, besteht vorzugsweise aus einem Filzmaterial,
das durch Wirken hitzebeständiger
metallischer Fasern ausgebildet ist, oder einem Schwammmaterial,
das zahlreiche offene Zellen aufweist. Als Metall wird Nickel bevorzugt.
Um das Schwammmaterial herzustellen, wird z. B. das hitzebeständige metallische
Pulver mit einem Schaummittel und einem Bindemittel verknetet, und das
verknetete Material wird geformt und der Formkörper gebrannt.
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In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
kann der Stromerzeugungsbereich, da das Zellelement die Gestalt
einer ebenen Tafel aufweist, wesentlich vergrößert werden, und die Menge
an pro Volumeneinheit erzeugtem Strom kann im Vergleich zur zylindrischen
SOFC erhöht
werden. Da der Trockenelektrolyt durch Flammspritzen oder dergleichen ausgebildet
werden kann, können
zudem die Leistungsfähigkeit
und die Herstellungskosten des Trockenelektrolyts im Vergleich zur
zylindrischen SOFC, bei der der Trockenelektrolytfilm durch EVD
oder dergleichen hergestellt werden muss, verbessert werden.
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Zusätzlich ist auf dem Separator
aus dem dichten Elektronenleiter ein Paar an Seitenwänden bereitgestellt.
Die Oxidationsgasströmungswege sind
zwischen den Seitenwänden
ausgebildet und mit der Luftelektrode bedeckt, und die Luftelektrode ist
mit einem Paar an Seitenwänden
verbunden, und die leitenden Trennwände sind mit dem ebenen tafelartigen
Körper
und der Luftelektrode verbunden. Da der Stromflussweg durch die
Luftelektrode und die Trennwände
gebildet wird, kann dadurch die Distanz, die der Strom parallel
zum Luftelektrodenfilm zurücklegt,
stark verkürzt
werden. Dies führt
dazu, dass, insbesondere da der Innenwiderstand in der Luftelektrode
verkleinert werden kann, die Leistungsabgabe der Zelleinheit erhöht werden
kann. Darüber
hinaus sind die Trennwände
zusätzlich
zu einem Paar Seitenwände
mit dem ebenen tafelartigen Körper
verbunden, und die Trennwände
selbst bestehen aus dem dichten Material, wodurch die strukturelle
Festigkeit der Zelleinheit deutlich erhöht wird und die Zuverlässigkeit
als Stapel, im Vergleich zu herkömmlichen
flachen SOFC, verbessert wird.
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Obwohl in den oben erwähnten Ausführungsformen
planare Zelleinheiten verwendet werden, kann die vorliegende Erfindung
auch auf zylindrische Zelleinheiten angewandt werden.
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Nun wird eine Ausführungsform
erläutert,
bei der die vorliegende Erfindung auf einen Fall angewendet wird,
bei dem zylindrische Zelleinheiten, deren einander gegenüberliegende
Enden in Längsrichtung
offen sind, zusammengefügt
werden. 24 ist eine
Schnittansicht eines Teils der Stromgenerators gemäß dieser
Erfindung, der in Längsrichtung
der Zelleinheiten 81 durchgeschnitten ist. 25 ist eine Schnittansicht eines Teils
des Stromgenerators geschnitten in Breitenrichtung der Zelleinheiten 81.
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Ein zylindrisches Substrat einer
Luftelektrode 84 ist aus einem porösen Luftelektrodenmaterial hergestellt,
und ein zylindrischer Oxidationsgasströmungsweg 76C ist innerhalb
der Luftelektrode 84 ausgebildet. Der Oxidationsgasströmungsweg 76C ist
an einander gegenüberliegenden
Enden der Zelleinheit 81 in Längsrichtung geöffnet. In
einem Stromerzeugungsbereich 112 weisen die Zelleinheiten 81 jeweils
eine in 25 gezeigte
breitseitige Querschnittsform auf. Das heißt, ein Trockenelektrolyt 93 ist
auf der Außenfläche der
Luftelektrode 14 angeordnet, wobei ein Teil derselben freigelassen
wird. Ein Zwischenstück 85 wird
auf einem Bereich, auf dem kein Trockenelektrolyt 93 vorhanden
ist, ausgebildet. Die Oberfläche
der Luftelektrode 84 ist mit dem Trockenelektrolyt und
dem Zwischenstück
bedeckt.
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Auf der Oberfläche des Trockenelektrolyts 93 ist
eine Brennstoffelektrode 82 und auf der Oberfläche des
Zwischenstücks 85 eine
Verbindungsklemme 87 ausgebildet. Die so aufgebauten Zelleinheiten 81 sind
wie in 25 dargestellt
vertikal und lateral angeordnet. Aus Platzgründen sind in 24 lediglich drei untere Zelleinheiten 81 und
in 25 lediglich zwei
untere und zwei linke Zelleinheiten dargestellt.
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In 25 sind
die Brennstoffelektroden 82 der seitlich aneinander angrenzenden
Zelleinheiten durch hitzebeständige
Leiter 113C miteinander verbunden. Gleichzeitig ist die
Brennstoffelektrode 82 der Zelleinheit 81 durch
den hitzebeständigen
Leiter 113D mit der Verbindungsklemme 87 der vertikal
angrenzenden Zelleinheit 81 verbunden. In 25 ist die unterste Zelleinheit 81 an
eine Stromsammelplatte 115 angeschlossen.
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Im Stromerzeugungsbereich 112 sind
die Zwischenstücke 85,
die Verbindungsklemmen 87 und die Brennstoffelektroden 83 wie
oben angeführt angeordnet,
wobei diese Bestandteile jedoch nicht im Vorheizbereich 111 bereitgestellt
sein müssen.
In der veranschaulichten Ausführungsform
(jedoch nicht dargestellt) ist die gesamte Oberfläche der
Luftelektrode 84 als Substrat mit dem Trockenelektrolyt 83 überzogen,
und es ist kein Schnitt zwischen dem Zwischenstück 85 und dem Trockenelektrolyt 93 gegeben.
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Die restlichen Bestandteile des Stromgenerators
aus den 24 bis 26 sind im Wesentlichen dieselben
wie in der Ausführungsform
der 20 und 21. Mit dem Bezugszeichen 100 ist
ein Behälter gekennzeichnet,
der mit Oxidationsgasöffnungen 100a und
Verbrennungsgasöffnungen 100b versehen
ist. Eine Oxidationsgaskammer 107 ist durch eine Trennwand 103 von
einer Brenngaskammer 108, die Brenngaskammer ist durch
eine Trennwand 104 von der Stromerzeugungskammer
110 und
die Stromerzeugungskammer 110 durch eine Trennwand 106 von
der Verbrennungskammer 109 getrennt. Die Bezugszeichen 101 und 102 bezeichnen ein
Brenngaszuführrohr
bzw. ein Oxidationsgaszuführrohr.
Die Bezeichnungen A bis G stehen für dieselben Gasströmungsrichtungen
wie in den 20 und 21. Der so aufgebaute Stromgenerator
der 24 und 25 kann dieselben Wirkungen
(5), (6) und (7) wie in Zusammenhang
mit der Konstruktion aus den 1 bis 8 erläutert erzielen. Im Unterschied dazu
ist die Dichtung zwischen der Trennwand und dem Ende der Zelleinheit
in dieser Ausführungsform gasdicht
ausgebildet. Damit das Brenngas strömen kann, ist auf der Seite
der Trennwand keine gasdichte Abdichtung notwendig. Hierin wird
der Stromerzeugungsbereich auf hohe Temperaturen von etwa 1.000°C erhitzt.
Aus diesem Grund ist der Vorheizbereich durch Anordnen des wärmeisolierenden
Materials zwischen der Trennwand und dem Stromerzeugungsbereich
ausgebildet. Die Temperatur innerhalb des Vorheizbereichs nimmt
natürlich
zur Trennwand hin rasch ab. Um obige gasdichte Abdichtung der Trennwand
zu bewirken, muss die Temperatur des abgedichteten Abschnitts weit
unter der des Stromerzeugungsbereichs, vorzugsweise bei z. B. 500°C oder weniger,
festgelegt werden. Wenn die Temperatur des abgedichteten Abschnitts
bei nicht mehr als 350°C
liegt, kann die Bandbreite an verwendbaren Harzdichtungsmaterialien
erweitert werden. Wenn die Temperatur jedoch auf nicht mehr als
100°C eingestellt
wird, muss die Länge
der Vorheizbereichs vergrößert werden,
so dass die Menge an pro Volumeneinheit erzeugtem Strom sinkt. Daher
liegt die Temperatur vorzugsweise in einem Bereich von 100°C bis 350°C. Das Brenngas
und das Oxidationsgas werden vorbereitend erhitzt, während sie
durch den Vorheizbereich strömen.
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Die vorliegende Erfindung kann auf
das Vereinigen von Zelleinheiten 91 angewendet werden, wie
sie in 26 in einer breitseitigen
Schnittansicht dargestellt sind.
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Eine Luftelektrode 94 ist
auf der gesamten Umfangsfläche
eines zylindrischen porösen
Basiskörpers 20 aus
Zirconiumoxid oder dergleichen angeordnet. Ein Trockenelektrolyt 83 und
ein Zwischenstück 85 sind
auf der Oberfläche
der Luftelektrode 94 ausgebildet. Eine Brennstoffelektrode 82 ist
auf der Oberfläche
des Trockenelektrolyts 93 angeordnet, und auf der Oberfläche des
Zwischenstücks 85 ist eine
Verbindungsklemme 87 ausgebildet. In diesem Fall ist der
Oxidationsgasströmungsweg 86C auch an
den einander gegenüberliegenden
Enden in Längsrichtung
der Zelleinheit 91 offen.
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Der hitzebeständige Leiter, der das Strömen des
Gases nicht unterbricht, besteht vorzugsweise aus einem Filzmaterial,
das durch Wirken hitzebeständiger
metallischer Fasern ausgebildet ist, oder einem Schwammmaterial,
das zahlreiche offene Zellen aufweist. Als Metall wird Nickel bevorzugt.
Um das Schwammmaterial herzustellen, wird, wie oben erwähnt wurde,
z. B. das hitzebeständige
metallische Pulver mit einem Schaummittel und einem Bindemittel
verknetet, und das verknetete Material wird geformt und der Formkörper gebrannt.
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In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
ist die Stromerzeugungskammer in einen Stromerzeugungsbereich und
in einen Vorheizbereich unterteilt, die Oxidationsgaskammer durch
eine gasdichte Trennwand vom Vorheizbereich getrennt, und zwischen
der gasdichten Trennwand und jeder Zelleinheit eine gasdichte Dichtung
ausgebildet. Weiters tritt das Brenngas durch den Vorheizbereich
und den Stromerzeugungsbereich in die Verbrennungskammer ein, und
das Oxidationsgas strömt
von einem Ende jedes der Oxidationsgasströmungswege jeder Zelleinheit
hindurch zum anderen Ende.
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Das Brenngas kann daher vom Oxidationsgas
getrennt werden, ohne dass diese gemischt werden, indem zwischen
der gasdichten Trennwand und jeder Zelleinheit eine gasdichte Dichtung
ausgebildet wird. Da z. B. kein instabiles Dichtungsmaterial wie geschmolzenes
Glas verwendet wird, kann eine langzeitig stabile Dichtung bewirkt
werden. Zusätzlich
kann verbrauchtes Oxidationsgas, da das Oxidationsgas vom Brenngas
durch das gasdichte Abdichten eines Endes jeder Zelleinheit getrennt
ist, in die im anderen Ende der Zelleinheit in Längsrichtung der Zelleinheit
bereitgestellte Verbrennungskammer strömen. Es besteht daher kein
Bedarf daran, ein Ende der Zelleinheit in Längsrichtung abzudichten. Darüber hinaus
ist es nicht notwendig, ein Oxidationsgaszuführrohr in den Oxidationsgasströmungsweg
der Zelleinheit einzuführen.