DE69233190T2

DE69233190T2 - Zelleinheiten für Festoxidbrennstoffzellen und Energiegeneratoren die diese Zelleinheiten verwenden

Info

Publication number: DE69233190T2
Application number: DE69233190T
Authority: DE
Inventors: Takao Nishikamo-gun Soma; Shinji Nagoya City Aichi Pref Kawasaki; Katsuki Himeji City Yoshioka
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2012-09-26
Also published as: US5292599A; DE69221248D1; DE69233190D1; EP0740358A3; EP0740358B1; DE69221248T2; EP0536925A1; EP0536925B1; EP0740358A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zelleinheiten für Festoxid-Brennstoffzellen und Stromgeneratoren, die derartige Zelleinheiten verwenden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Stromgenerator nach Anspruch 1 bereit.
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:
1 eine perspektivische Ansicht eines Separators 1A ist;
2 eine perspektivische Ansicht eines Zellelements 2 ist;
3 eine Ansicht des Zellelements 2 von der Seite eines Brennstoffelektrodenfilms 4 her betrachtet darstellt;
4 eine Schnittansicht des Separators 1A und des Zellelements 2 vor dem Verbinden ist;
5 eine Schnittansicht einer Zelleinheit 7A ist;
6 eine Schnittansicht einer anderen Zelleinheit 7B ist;
7 eine Schnittansicht eines Teils des Stromgenerators ist, bei dem die Zelleinheiten 7A zusammengebaut sind;
8 eine Teilschnittansicht des Stromgenerators in 7 ist, der in Längsrichtung der Zelleinheiten 7A durchgeschnitten ist;
9 eine Schnittansicht einer weiteren Zelleinheit ist, die in Breitenrichtung durchgeschnitten ist;
10 eine perspektivische Ansicht eines anderen Separators ist;
11 eine Ansicht eines Zellelements von einer Seite der Brennstoffelektrode 32 her betrachtet darstellt;
12 eine Ansicht eines Zellelements von einer Seite der Luftelektrode 32 her betrachtet darstellt;
13 eine Schnittansicht ist, die eine Luftelektrode 34A und einen Separator 35A vor dem Verbinden veranschaulicht;
14 eine Schnittansicht ist, die einen abgedichteten Umfangsendabschnitt des Zellelements darstellt;
15 eine Teilschnittansicht eines Teils eines Stromgenerators in einer Längsrichtung der Zelleinheiten ist;
16 eine Schnittansicht eines Teils des Stromgenerators ist, der in eine Breitenrichtung der Zelleinheiten durchgeschnitten ist;
17 eine Schnittansicht einer Zelleinheit 31B einer Ausführungsform der Erfindung durchgeschnitten in eine Breitenrichtung davon veranschaulicht;
18 eine perspektivische Ansicht eines Separators 35C;
19 eine Schnittansicht einer Zelleinheit 31C, durchgeschnitten in eine Längsrichtung davon, ist;
20 eine Schnittansicht eines Teils eines anderen Stromgenerators als Ausführungsform der Erfindung ist, der in Längsrichtung der Zelleinheiten durchgeschnitten ist;
21 eine Schnittansicht eines Teils des Stromgenerators aus 20 ist, der in Längsrichtung der Zelleinheiten 31C durchgeschnitten ist;
22 eine perspektivische Ansicht eines Separators 35C ist, bei dem ein gasdurchlässiges Wärmematerial 56 in die Oxidationgasströmungswege eingefüllt ist;
23 eine perspektivische Ansicht eines Separators 35D ist;
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;
25 eine Schnittansicht eines Teils des Stromgenerators aus 24 ist, der in eine Breitenrichtung der Zelleinheiten durchgeschnitten ist; und
26 eine Schnittansicht einer weiteren Zelleinheit ist, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Danach strömt das Brenngas zwischen den hitzebeständigen Leitern 11A und 11B und dann durch das Keramikfilzmaterial 24 und wird in die Verbrennungskammer 19 abgegeben.
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.
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.
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.
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.

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.
Die Querschnittsfläche jedes Schnitts durch den Oxidationsgasströmungsweg ist in Breitenrichtung vorzugsweise 0,1 bis 2 cm².
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Als nächstes wird das Herstellungsverfahren dieser Zelleinheit mit Verweis auf 13 beschrieben.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Als nächstes wird eine Ausführungsform der Erfindung erläutert.
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.
Die weitere Konstruktion der Zelleinheit 31B, die eine solche breitseitige Schnittstruktur aufweist, kann im Wesentlichen wie die der Zelleinheit 31A erfolgen.
Nun wird eine weitere Ausführungsform der Zelleinheit, bei der Oxidationsgasströmungswege in gegenüberliegenden Richtungen geöffnet sind, sowie eine zusammengefügte Anordnung solcher Zelleinheiten erläutert.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Der Betrieb dieses Stromgenerators wird untenstehend beschrieben werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
In der veranschaulichten Ausführungsform können als wärmeisolierendes Material 35 poröse Aluminiumoxidblöcke, Laminate aus Aluminiumoxidfilzlagen oder ein Verbundmaterial von diesen verwendet werden.
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.
In der in 19 dargestellten Zelleinheit befindet sich kein Hindernis im Oxidationsgasströmungsweg 36, und kein Oxidationsgas wird für die Stromerzeugung im Vorheizbereich 24 verbraucht.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Zudem liegt die Querschnittsfläche des Oxidationsgasströmungswegs in Breitenrichtung geschnitten bei 0,1 bis 2 cm².
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.
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.
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.
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.
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.
Obwohl in den oben erwähnten Ausführungsformen planare Zelleinheiten verwendet werden, kann die vorliegende Erfindung auch auf zylindrische Zelleinheiten angewandt werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die vorliegende Erfindung kann auf das Vereinigen von Zelleinheiten 91 angewendet werden, wie sie in 26 in einer breitseitigen Schnittansicht dargestellt sind.
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.
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.
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.
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.

Claims

Stromgenerator, umfassend einen Stromgeneratorkörper, der zumindest Folgendes aufweist: (i) eine Verbrennungskammer (69, 109); (ii) eine Stromerzeugungskammer (70; 110), die in einen Stromerzeugungsbereich (55; 112) und einen Vorheizbereich (54, 111) unterteilt ist, wobei die Stromerzeugungskammer eine Vielzahl von Zelleinheiten (31C; 81) umfasst, die zusammengebaut sind, wobei die Zelleinheiten (31C; 81) jeweils Folgendes aufweisen: einen Oxidationsströmungsweg (36; 76C), der darin ausgebildet und an einander gegenüberliegenden Enden in einer Längsrichtung der Zelleinheit (31C) offen ist; sowie einen Brennstoffelektrodenfilm (32; 82), der auf einer Oberfläche einer jeden der Zelleinheiten ausgebildet ist; und worin benachbarte Zelleinheiten (31C) durch gasdurchlässige hitzebeständige Leiter (65; 113C; 113D) in Serie und parallel miteinander verbunden sind; (iii) eine Brennstoffgaskammer (67; 107), die so angeordnet ist, dass Brennstoffgas durch den Vorheizbereich (54) und den Stromerzeugungsbereich (55) in die Verbrennungskammer (69; 109) eintreten kann; sowie (iv) eine Oxidationsgaskammer (68, 108), die so angeordnet ist, dass Oxidationsgas über die Oxidationsgasströmungswege (36; 76C) in den Zelleinheiten in die Verbrennungskammer (69; 109) eintreten kann; worin bei der Verwendung das Brennstoffgas und das Oxidationsgas im Vorheizbereich vorgewärmt werden, während sie zum Stromerzeugungsbereich gelangen; und die Oxidationsgaskammer (68; 108) vom Vorheizbereich (54; 111) durch eine gasdichte Trennwand (64; 104) getrennt ist, die gasdichte Abdichtung zu jeder der Zelleinheiten (31C; 81) bewirkt, während sie es zulässt, dass das Oxidationsgas von der Oxidationsgaskammer (68; 108) aus in die Oxidationsgasströmungswege (36; 76C) eintritt.
Stromgenerator nach Anspruch 1, worin die Zelleinheiten (31C) jeweils umfassen: (i) einen Separator (35C) aus einem dichten Elektronenleiter, der ein Paar Seitenwände (35h) auf einer Oberfläche eines Körpers (35a) in Gestalt einer ebenen Tafel aufweist, der an gegenüberliegenden Kanten in seiner Breitenrichtung eine rechteckige planare Gestalt aufweist; und (ii) ein Zellelement, umfassend: eine Luftelektrode (34A), die mit den Seitenwänden (35h) des Separators (35C) verbunden ist; einen dichten Trockenelektrolyten (53), der eine Oberfläche und Seitenflächen in Breitenrichtung der Luftelektrode (34A) sowie einen Teil der Außenwandflächen der Seitenwände des Separators (35C) bedeckt; sowie eine Brennstoffelektrode (32), die auf einer Oberfläche des Trockenelektrolyten (53) vorgesehen ist; und worin zumindest eine leitende Trennwand (35b) in einem Raum vorgesehen ist, der vom Körper (35a) in Gestalt einer ebenen Tafel umgeben ist, wobei das Paar Seitenwände (35h) und die Luftelektrode (34A) Oxidationsgasströmungswege (36) bilden und die Trennwand (35b) mit dem Körper (35a) in Gestalt einer ebenen Tafel und der Luftelektrode (34A) verbunden ist.
Stromgenerator nach Anspruch 2, worin jedes der Oxidationsgas-strömungswege (36) an einander gegenüberliegenden Enden, wie in Längsrichtung des Separators (35C) gesehen, offen ist, und jeder der Oxidationsgasströmungswege (36) zwischen den einander gegenüber-liegenden Enden des Separators (35C) verbindet.
Stromgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Abdichten durch Dichtungen oder organisches Harz gasdicht zwischen der gasdichten Trennwand (64) und den Zelleinheiten (31C) erfolgt.
Stromgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin ein gasdurchlässiges thermisch isolierendes Material (65, 105) um den Außenumfang einer jeden Zelleinheit (31C) im Vorheizbereich (54) angeordnet ist.
Stromgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin ein gasdurchlässiges thermisch isolierendes Material (56) in den Oxidationsgasströmungsweg (36) einer jeden Zelleinheit (31C) im Vorheizbereich (54) gefüllt ist.