Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Brennstoffzellen mit keramischen Feststoffelektrolyten sind seit längerer Zeit in zahlreichen Veröffentlichungen be¬ schrieben worden, wobei hier aus der Vielzahl möglicher Li¬ teraturstellen lediglich als Beispiel einige genannt seien:

US-A-4 692 274

US-A-4 618 543

US-A-4 395 468

US-A-3 400 054

US-A-3 429 749

EP-A-0 357 025

EP-A-0 406 523

DE-A-40 04 571

Patent Abstract of Japan, vol. 14, no. 32 (E-876) (3975) V. 22.01.1990

ELECTROCHIMICA ACTA. Band 31, No. 7, Seiten 801 bis 809, Juli 1986

Die bekannten BrennstoffZellenkonstruktionen und Anordnun¬ gen genügen den modernen industriellen Anforderungen bezüg¬ lich Sicherheit und Betriebsführung, Temperaturkonstanz, Lebensdauer und Einfachheit der Wartung noch nicht. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, derartige Vor¬ richtungen zu vereinfachen und ihre Betriebsführung zu ver-

bessern, insbesondere die konstruktiven und elektrischen Bedingungen zu verbessern und zu gewährleisten bzw. zu ver¬ einfachen. Dabei ist es insbesondere Ziel der vorliegenden Erfindung, eine gleichmäßige Luft- und Brenngaszufuhr zu den elektrochemisch aktiven Flächen sowie eine einwandfreie Stromübertragung von einer Brennstoffzelle auf eine benach¬ barte Brennstoffzelle unter Vermeidung von Querströmen in den Elektroden zu gewährleisten, wobei die Führung der gas¬ förmigen Medien zu und von den Elektroden so gestaltet wer¬ den kann, daß eine möglichst gleichmäßige Betriebstempera¬ tur über die gesamte Elektrodenoberfläche erreichbar ist, bei kostengünstiger Fertigung, kostensparender Wartung und rascher Auswechselbarkeit einzelner Elemente mit hoher Lebensdauer.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kenn¬ zeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Gegenüber der dem Stand der Technik bekannten Lösung hat die Erfindung die besonderen Vorteile, daß die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffes sowie des gasförmigen Sauerstoff- trägers zur einzelnen Elektrode praktisch senkrecht zur gesamten Oberfläche gleichzeitig erfolgen kann. Dadurch wird eine gleichmäßige Konzentration dieser gasförmigen Medien, d.h. auch eine gleichmäßige elektrochemische Um¬ setzung und dadurch eine gleichmäßige Temperatur der Brenn-

stoffzelle über die gesamte Elektrodenoberfläche (quasi¬ isothermer Betrieb) erzielt.

Durch die Ausbildung der Trennplatte als Hohlkörper mit zu¬ sätzlicher Profilierung können die Probleme der Konstant¬ haltung der Temperatur, der Zufuhr und Abfuhr der gleichen gasförmigen Medien sowie die Wartung und Auswechselung im Falle von Störungen in einfacher Weise optimal gelöst wer¬ den.

Durch die sich auf die Trennplatte abstützenden gasdurch¬ lässigen keramischen Zwischenlagen, die senkrecht zur Plattenebene als Hochtemperaturfeder wirken und die Strom¬ kollektoren großflächig und gleichmäßig an die gegenüber¬ liegenden Elektroden zweier benachbarter Brennstoffzellen anpressen, wird eine gleichmäßige mechanische und elektri¬ sche Belastung aller Kontaktpunkte an den Elektroden er¬ zielt. Dadurch werden örtliche Überlastungen, Druchbrennen und zusätzliche Stromwärmeverluste vermieden.

Der Größe der Elektrodenfläche sind nicht die üblichen, durch Kontaktprobleme und Schwierigkeiten in der Führung der gasförmigen Medien bedingte enge Grenzen gesetzt. Zwi¬ schen zwei großflächigen metallischen Trennplatten können sogar mehrere keramische Elektrolytplatten kleinerer Ab¬ messung nebeneinander angeordnet werden.

Die Anordnung der Plattenebene in senkrechter Lage er¬ leichtert die externe Zufuhr und Abfuhr der gasförmigen Medien, die Zugänglichkeit der einzelnen Bauteile und deren Auswechselbarkeit und re'duziert die Bauhöhe von Stapeln, Modulen und ganzen Blöcken.

Die Verlegung der Brennstoffzufuhr mit Hilfe des stielar¬ tigen Fortsatzes der Trennplatte vom heißen in den kalten Bereich der Anlage ermöglicht den Einsatz konventioneller elastischer Dichtungen mit zuverlässigen Dichtungseigen¬ schaften.

Die flächige Gasführung im Inneren der Trennplatte ermög¬ licht nicht nur eine Vorwärmung des Gasstroms, sondern auch die Durchführung endothermer chemischer Konvertierungs- reaktionen unmittelbar vor dem Gasaustritt zur Brennstoff¬ elektrode unter Nutzung der im Stapel anfallenden Abwärme, also eine flächige und homogene Kühlung der Brennstoff¬ zelle.

Die Unterbringung von die endothermen Reaktionen beschleu¬ nigenden Katalysatoren im Inneren der als Hohlkörper aus¬ gebildeten Trennplatte schafft in situ optimale Bedingungen zur Durchführung derartiger gezielter Reaktionen.

Die externe Zufuhr des Brennstoffs (Symbol CH4) senkrecht und des Sauerstoffträgers (Symbol O2) parallel zur Platten-

ebene schafft ideale Verhältnisse für die gesamte Anlage bezüglich Kanälen, Rohrleitungen, Wärmeaustauschern und anderen Akzessorien. Nur dadurch ist es möglich, in¬ dustrielle Großanlagen mit erträglichem Aufwand zu bauen und zu warten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine optimale Zuleitung und Verteilung der gasförmigen Me¬ dien, wobei hier insbesondere auch der Brennstoff gemeint ist, ergibt sich daraus, daß Kanäle und Öffnungen vorge¬ sehen sind, die in den Trennplatten für eine optimale Gas¬ führung sorgen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zur Einbringung gasförmi¬ ger Medien im kalten Bereich der Vorrichtung die Trenn¬ platten mit einem nach außen überkragenden Fortsatz ver¬ sehen sind. Daraus ergibt sich, daß beispielsweise dort vergleichsweise niedrige Temperaturen herrschen von bei¬ spielsweise weniger als 300° C, so daß alle vorzusehenden Dichtungen herkömmlicher Art sein können, d.h. sie müssen nicht hochtemperaturfest sein, sie können z.B. aus einem temperaturbeständigen Kunststoff, wie Polytetrafluor- äthylen, bestehen.

Die Ausgestaltung der Stromkollektoren in der in den Unter¬ ansprüchen bezeichneten Art ergibt eine Fülle konstruktiver

Vorteile, wie sie bereits weiter oben grundsätzlich ange¬ sprochen wurden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in:

Fig. 1 einen schematischen Aufriß/Schnitt des prinzipiel¬ len Aufbaus der BrennstoffZellenanordnung,

Fig. 2 einen schematischen Grundriß/Schnitt des prinzi¬ piellen Aufbaus der BrennstoffZellenanordnung,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus der als Hohlkörper ausgebildeten Trenn¬ platte,

Fig. 4 einen schematisσhen Aufriß/Schnitt der als Hohl¬ körper ausgebildeten Trennplatte,

Fig. 5 einen schematischen Grundriß/Schnitt der als Hohl¬ körper ausgebildeten Trennplatte,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus der auseinander gezogen gezeichneten Brenn¬ stoffzelle mit den einzelnen Bauelementen,

Fig. 7 einen schematischen Schnitt durch einen Stapel be¬ stehend aus mehreren Brennstoffzellen und verbin¬ denden Bauelementen,

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines aus zwei in Serie geschalteten Stapeln von Brennstoffzellen be¬ stehenden Moduls,

Fig. 9 einen schematischen Grundriß/Schnitt durch einen aus zwei in Serie geschalteten Stapeln von Brenn¬ stoffzellen bestehenden Modul,

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung eines aus vier Modulen bestehenden Blocks von Brennstoffzellen,

Fig. 11 einen schematischen Schnitt durch zwei benachbarte Brennstoffzellen mit dazwischenliegender, mehrere Kanäle aufweisender Trennplatte,

Fig. 12 einen schematischen Schnitt durch drei Varianten der Berührungskontur zwischen Trennplatte und gas¬ durchlässiger Zwischenlage,

Fig. 13 einen schematischen Aufriß von zwei Varianten der Trennplatte mit unterschiedlicher Führung der gas¬ förmigen Medien.

In Fig. 1 ist ein schematischer Aufriß/Schnitt des prinzi¬ piellen Aufbaus einer Vorrichtung nach der Erfindung darge¬ stellt. Ein keramischer Feststoffelektrolyt 1 aus einem Sauerstoffionen leitenden, dotierten und stabilisierten Metalloxid, beispielsweise aus mit Y2O3 stabilisierten Zrθ2 weist auf einer Seite eine poröse (positive) Sauerstoff- elektrode 2 aus einem mit SrO dotierten La/Mn-Perowskit und auf der anderen Seite eine poröse (negative) Brennstoff- elektrode 3 aus Ni/Zrθ2~Cermet auf. Auf der Sauerstoff- elektrode 2 befindet sich eine dünne Cr-Oberflächenschicht 4 und auf der Brennstoffelektrode 3 eine dünne Ni-Ober¬ flächenschicht 5.

Eine als Hohlkörper ausgebildete gasdichte Trennplatte 6, die der Separierung des Gasraumes vor der Sauerstoffelek¬ trode 2 von demjenigen der gegenüberliegenden Brennstoff- elektrode 3 der benachbarten Brennstoffzelle dient, ist in Fig. 1 etwa in der Mitte und links außen dargestellt. Die Trennplatte 6 weist Kanäle 7 mit Öffnungen 8 auf.

Die Zufuhr des gasförmigen Sauerstoffträgers (Symbol O2) zur Brennstoffzelle, wobei es sich beispielsweise um reinen Sauerstoff oder auch Luft handeln kann, trägt das Bezugs¬ zeichen 9, während die Zufuhr des gasförmigen Brennstoffes (Symbol CH4, allgemein für Methan, Kohlenwasserstoffe, H2 oder CO) mit 10 bezeichnet ist.

Eine als Hochtemperaturfeder wirkende keramische, gas¬ durchlässige Zwischenlage 11 in Form eines Filzes oder Vlieses umschließt einen Stromkollektor 12 auf der Sauer¬ stoffseite und einen Stromkollektor 13 auf der Brennstoff- seite, wobei die Stromkollektoren 12 und 13 durch diese hochelastischen Zwischenlagen 11 gleichmäßig an die Elek¬ troden 2 und 3 gedrückt werden. Die Zwischenlagen 11 stützen sich jeweils auf den genannten Trennplatten 6 ganz¬ flächig ab. Dadurch wird ein über die gesamte Elektroden¬ fläche gleichbleibender Kontaktdruck des Stromkollektors und eine gleichmäßige Stromverteilung erreicht.

Die Strömung der gasförmigen Medien 02 CH4, N2, CO2, H2O, ist durch Pfeile angedeutet, wobei N2 allgemein für Ballastgas (meistens Stickstoff oder Restsauerstoff) auf der Sauerstoffseite und CO2 bzw. H2 für Reaktionsprodukte (meistens Kohlendioxid, Wasserdampf oder Restbrennstoff), d.h. Abgas auf der Brennstoffseite als Symbol in den Figuren angegeben ist.

Wie sich aus Fig. 2 ergibt, befindet sich im Hohlraum der Trennplatte 6 in den Kanälen 7 auf der Brennstoffseite ein Katalysator 18, der ggf. die endotherme Konvertierungs¬ reaktion des Primärbrennstoffs (CH4) mit dem Reaktions¬ produkt (CO2 oder H2O) oder mit von außen zugeführten Gasen gleicher oder ähnlicher Zusammensetzung zu Sekundärbrenn¬ stoff (C0 und H2) beschleunigt.

Wie sich aus Fig. 3 ergibt, weist die Trennplatte 6 einen stielartig vorkragenden Fortsatz 16 auf, der der Zuführung des Brennstoffes (CH4) dient.

Die Pfeile in den Figuren deuten die Strömungsrichtung in den gasförmigen Medien an. Dabei bedeuten die feinpunk¬ tierten Linien schematisch die Stromlinien des Brennstoffs (CH4) innerhalb der hohlen Brennplatte 7 und die gestri¬ chelten die Stromlinien des Sauerstoffträgers (O2) hinter der Trennplatte. Die Austrittsrichtungen von CH4O2 sind entgegengesetzt und stehen senkrecht auf der Plattenebene, sie weisen jeweils auf die benachbarte, in den Fig. 3 und 4 nicht dargestellte Elektrode hin.

Wie sich aus Fig. 4 ergibt, weist die Brennstoffzelle eine innere Zufuhr für den Brennstoff auf, die im dargestellten Beispiel durch eine Öffnung 10 im Inneren des stielartig vorkragenden Fortsatzes 16 der Trennplatte 6 erfolgt. Der Brennstoff (CH4) wird im Inneren der Brennplatte 6 geführt, während der Sauerstoffträger O2 außen an der profilierten Trennplatte 6 entlangstreicht, wobei N2 den Abzug des Belastgases am Rande der Trennplatte andeutet, wobei sich aus Fig. 5 in der dort wiedergegebenen vereinfachten Auf¬ sicht wiederum die Strömungsverhältnisse ergeben.

Fig. 6 zeigt in einer sogenannten Explosionsdarstellung die Anordnung der einzelnen Bauelemente. Wie sich aus dieser Darstellung ergibt, wird der Stromkollektor 13 senkrecht zur Plattenebene vom Brennstoffström (CH4) durchsetzt. Das folgende Zwischenlager 11 aus filz- oder vliesartigen Plat¬ ten, welches, wie beschrieben, als Hochtemperaturfeder senkrecht zur Plattenebene wirkt, wird ebenfalls senkrecht zur Plattenebene vom Brennstoffström (CH4) durchflutet. Wie erkennbar, befindet sich der stielartig vorkragende Zu¬ leitungsfortsatz 16 zur Zuleitung des Brennstoffes (4) aus- serhalb des Bereiches hoher Temperatur, so daß das dort mit 17 bezeichnete Dichtungselement in die gasförmigen Medien nicht hochtemperaturbeständig sein muß.

Das Sauerstoffseitige Zwischenlager 11 hat die gleiche Funktion wie das brennstoffseitig oben schon angegebene keramische Zwischenlager, wobei der 02-Strom im Strom¬ kollektor 12 auf der Sauerstoffseite senkrecht zur Plat¬ tenebene durchströmt und senkrecht auf die poröse (posi¬ tive) Sauerstoffelektrode 2 der eigentlichen Brennstoff¬ zelle auftritt. In Fig. 1 und 2 ist auch jeder keramische Feststoffelektrolyt mit 1 und die Brennstoffelektroden mit 3 bezeichnet. Wie sich aus der Darstellung gemäß Fig. 6 er¬ gibt, erfolgt die externe Zuleitung des Brennstoffes (CH4) im wesentlichen senkrecht und diejenige des Sauerstoffes (O2) im wesentlichen parallel zur Plattenebene der Brenn-

stoffzelle 1,2,3 bzw. der gesamten stapelartigen Anordnung von Brennstoffzellen.

Ein solcher Stapel von Brennstoffzellen ist in Fig. 7 ver¬ einfacht im Schnitt und in Fig. 8 ff. dargestellt, wobei es für Fig. 7 gleichgültig ist, ob es sich um einen Grundriß oder Aufriß handelt. Erkennbar werden die mit 1,2,3 be¬ zeichneten Brennstoffzellen von mit 6 bezeichneten Trenn¬ platten mit Kanalstruktur voneinander getrennt, wobei in Fig. 7 der Stromkollektor 12 auf der Sauerstoffseite an den Stirnseiten mit dem Stromkollektor 13 auf der Brennstoff¬ seite der benachbarten Brennstoffzelle elektrisch leitend verbunden ist. Mit + und - sind die Polaritäten der Klemmen (nicht näher dargestellt) bezeichnet. Die in Fig. 8 per¬ spektivisch angedeutete Vorrichtung besteht, wie beschrie¬ ben, aus Brennstoffzellen 1,2,3, insbesondere gemäß Anord¬ nung nach Fig. 7, wobei aus Darstellungsgründen die zwi¬ schen den Brennstoffzellen liegenden Bauelemente, wie die Stromkollektoren, Zwischenlagen und Trennplatten, dort nicht einzeln wiedergegeben sind. Ein externer Zuleitungs¬ kanal 14 für den Brennstoff (CH4), der senkrecht zur Plat¬ tenebene steht, ist dort andeutungsweise wiedergegeben, während der externe Zuleitungskanal für den Sauerstoff¬ träger (O2) _/ parallel zur Plattenebene nur mit einem Pfeil 15 angedeutet ist. Die Strömungsrichtung für die Gase und Polaritäten der Klemmen sind gemäß obiger Beschreibung auch dort angegeben.

Aus den Fig. 9 und 10 ist erkennbar, daß die Brennstoff¬ zellen als Module ausgestaltet sind, die in Serie oder Reihe geschaltet werden können, wobei in Fig. 9 ein aus zwei Serien geschalteter Stapel von Brennstoffzellen wie¬ dergegeben ist. Fig. 10 zeigt die perspektivische verein¬ fachte Darstellung eines aus vier Modulen bestehenden Blocks von Brennstoffzellen, wobei die Erfindung selbst¬ verständlich nicht auf die hier dargestellten Modulanzahlen beschränkt ist.

Fig. 11 zeigt einen schematischen Schnitt durch zwei be¬ nachbarte Brennstoffzellen mit dazwischenliegender, mehrere Kanäle aufweisender Trennplatte. Zwischen zwei mit 1,2,3 bezeichneten benachbarten Brennstoffzellen befinden sich die Stromkollektoren 12 und 13 und die gasdurchlässigen Zwischenlagen 11 (hochelastische Zwischenglieder) sowie die Trennplatte 6. Letztere, als Hohlkörper ausgeführt, weist im vorliegenden Fall mehrere, der Führung der gasförmigen Medien dienende Kanäle und Öffnungen auf. 19 ist der Kanal für die Zufuhr des Sauerstoffträgers (O2), 20 derjenige für die Zufuhr des Brennstoffs (CH4). 21 stellt den Kanal für die Abfuhr des Restsauerstoffs und des Ballastgases (N2) auf der Sauerstoffseite, 22 denjenigen für die Abfuhr der Reaktionsprodukte (CO2, H2O) auf der Brennstoffseite dar. 23 ist ein spezieller Kanal für die Zufuhr von Reaktions¬ gasen (H2O, CO2), die der BrennstoffZellenanordnung zu-

ERSATZBLATT

sätzlich zur Durchführung gezielter chemischer Konvertie¬ rungsreaktionen von außen her zugeleitet werden. 24 stellt eine Öffnung für die Zufuhr des SSiferstoff-trägers (O2) zur Brennstoffzelle 1,2,3 dar. 25 ist eine Öffnung für die Zu¬ fuhr des Brennstoffs (CH4) zur Brennstoffzelle 1,2,3. 26 steht für eine Öffnung für die Abfuhr des Restsauerstoffs und des Ballastgases (N2) und 27 für eine Öffnung für die Abfuhr der Reaktionsprodukte (CO2, H2O) von der Brenn¬ stoffzelle 1,2,3. 28 stellt eine Öffnung zwischen benach¬ barten Kanälen zur gezielten Mischung von gasförmigen Me¬ dien, z.B. zur Einleitung der Konvertierungsreaktionen, dar. 29 ist ein offenporiges Bauelement für die Zufuhr des Sauerstoffträgers (O2) zur Brennstoffzelle, das im wesent¬ lichen die gleiche Funktion wie die Öffnung 24 hat. Ein entsprechendes offenporiges Bauelement 30 dient der Zufuhr des Brennstoffs (CH4) und hat die gleiche Funktion wie die Öffnung 25. 31 ist ein offenporiges Bauelement für die Ab¬ fuhr des RestsauerStoffs und des Ballastgases (N2), das die gleiche Funktion wie die Öffnung 26 hat. 32 ist ein offen¬ poriges Bauelement, das der Abfuhr der Reaktionsprodukte (CO2, H2O) dient und die gleiche Funktion wie die Öffnung 27 hat. Das offenporige Bauelement 33 zwischen benachbarten Kanälen hat die gleiche Funktion wie die Öffnung 28. Öffnungen und offenporige Bauelemente in der Trennplatte 6 können selbstverständlich auch in beliebig anderer, von Fig. 11 abweichender Kombination vorhanden sein.

In Fig. 12 ist ein schematischer Schnitt durch drei Varian¬ ten der Berührungskontur zwischen Trennplatte und gas¬ durchlässiger Zwischenlage dargestellt. 6 ist die als Hohlkörper ausgebildete gasdichte Trennplatte, 8 eine Öffnung in der Trennplatte und 11 die als Hochtemperatur¬ feder senkrecht zur Plattenebene wirkende keramisch.... gas¬ durchlässige Zwischenlage in Form eines Vlieses oder Filzes. Gemäß Variante a weist die Trennplatte 6 eine pro¬ filierte Außenfläche 34 auf, während die Zwischenlage 11 durch eine Ebene begrenzt ist. In der Variante b ist es gerade umgekehrt: Die Zwischenlage 11 hat eine profilierte Außenfläche 35, während die Kontur der Trennplatte 6 eben ist. Gemäß Variante c ist die Außenfläche sowohl der Trenn¬ platte 6 als auch der Zwischenlage 11 durch eine Ebene be¬ grenzt. Zwischen Trennplatte 6 und Zwischenlage 11 befindet sich im vorliegenden Fall ein profiliertes Strömungsfüh- rungselement 36.

Fig. 13 zeigt einen schematischen Aufriß von zwei Varianten der Trennplatte mit unterschiedlicher Führung der gasför¬ migen Medien. In beiden Fällen weist die Trennplatte 6 Kanäle 7 auf und ist mit einem stielartigen vorkragenden Fortsatz 16 versehen, an dessen äußerem Ende die interne Zufuhr 10 des Brennstoffs (CH4) erfolgt. 8 sind Öffnungen in der Trennplatte 6. Die Strömungsrichtungen des Brenn¬ stoffs (CH4) sind durch Pfeile, die Stromlinien durch fein punktierte Linien angedeutet. 37 stellt einen in den Be-

reich der Nachverbrennung hineinreichenden, als Wärmetau¬ scher ausgebildeten Teil der Trennplatte 6 dar. 38 ist die Projektion der eigentlichen aktiven Brennstoffzellen-Platte auf die Plattenebene. Im Falle der Variante a ist der Teil 37 als lappenartiger Fortsatz ausgebildet und seine Beauf¬ schlagung mit Brennstoff (CH4) erfolgt über das Innere der Trennplatte 6, während gemäß Variante b der Teil 37 als Fortsetzung eines die Trennplatte 6 umschließenden Hohl¬ rahmens aufgefaßt werden kann, der sich in der die Trenn¬ platte 6 umgebenden Nachbrennzone befindet und deshalb stark erhitzt wird, wobei die bei hoher Temperatur zuge¬ führte Wärme zur Durchführung der endothermen Konvertie¬ rungsreaktionen des Brennstoffs (CH4) genutzt wird.

Es wurde ein Stapel aus 20 Brennstoffzellen und entspre¬ chenden zusätzlichen, für die elektrische Stromleitung und den mechanischen Zusammenhalt erforderlichen Bauelementen hergestellt. Die eigentliche Brennstoffzelle bestand aus einem keramischen, plattenförmigen, rechteckigen, ebenen Feststoffelektrolyt 1 aus stabilisiertem, dotiertem Zrθ2 von 100 mm Breite, 110 mm Länge und 0,25 mm Dicke. Der Feststoffelektrolyt wurde auf einer Seite auf einer quadra¬ tischen Fläche von 100 mm Seitenlänge mit einer porösen Sauerstoffelektrode 2 aus Sr-La/Mn-Perowskit und einer Dicke von 0,09 mm beschichtet. Die Brennstoffelektrode 3 von gleicher Fläche und 0,05 mm Dicke bestand aus Ni/Zrθ2~ Cermet und wurde in gleicher Weise auf der anderen Seite

des Feststoffelektrolyten 1 aufgebracht. Dementsprechend blieb vom Feststoffelektrolyt 1 ein 10 mm breiter Streifen an der Schmalseite beidseitig unbeschichtet. Auf der Sauer¬ stoffelektrode 2 wurde eine 10 mm dicke Cr-Oberflächen- schicht 4, auf der Brennstoffelektrode 3 eine ebenso dicke Ni-Oberflächenschicht 5 aufgedampft.

Die als Hohlkörper gestaltete gasdichte Trennplatte 6 wurde aus zwei halbsσhaligen Blechkörpern von 0,1 mm Dicke, be¬ stehend aus einer zunderbeständigen Fe/Cr/Al-Legierung ge¬ mäß Deutscher Norm DIN mit der Bezeichnung CrA120 5 und der Werkstoffnummer 1.4767 hergestellt. Die Legierung hatte folgende Zusammensetzung:

Cr = 20 Gewichts-% AI - 5 Gewichts-% Si = 0,8 Gewichts-% Mn » 0,7 Gewichts-% C = 0,08 Gewichts-% Fe = Rest

Die beiden Halbschalen wurden am Rand am ganzen Umfang gas¬ dicht verschweißt und im mittleren Bereich mit einigen Schweißpunkten zu einer Kanäle 7 aufweisenden Hohlstruktur verbunden. Auf der Brennstoffseite wurden im Bereich der eigentlichen Brennstoffzelle 1,2,3 je 4 Reihen von jeweils 5 Löchern von 0,5 mm Durchmesser angebracht, durch die der Brennstoff (CH4) senkrecht zur Plattenebene austreten konn-

te. Die Trennplatte 6 war mit einem 100 mm langen stielar¬ tig vorkragenden Fortsatz 16 versehen, durch den die in¬ terne Zufuhr 10 des Brennstoffs (CH4) erfolgte. Die Zufuhr 10 des Brennstoffs (CH4) geschah konkret über ein ringför¬ miges mit radialen Öffnungen versehenes Keramikteil, das sich am Zuleitungsende des Fortsatzes 16 zwischen den Halb¬ schalen befand. Die Trennplatte 6 wurde auf beiden Seiten im rechteckigen Bereich mit je einer keramischen, gas¬ durchlässigen Zwischenlage 11 aus einem 1 mm dicken Zrθ2~ Vlies belegt, die als Hochtemperaturfeder wirkte. Auf die Zwischenlage 11 wurde auf der Sauerstoffseite der Strom¬ kollektor 12 in Form eines feinmaschigen Metallgewebes aus einer warmfesten Ni/Cr-Legierung mit der Handelsbezeichnung Inconel 690 (INCO) von folgender Zusammensetzung gelegt:

Cr = 30 Gewichts-% Fe = 9, 5 Gewichts-% C = 0,03 Gewichts-% Ni = Rest

Auf der Brennstoffseite wurde der Stromkollektor 13 in Form eines ebenfalls feinmaschigen Gewebes aus Nickel auf die Zwischenlage 11 aufgelegt und an den überstehenden Rändern der Breitseite mit dem Stromkollektor 12 der Sauerstoff¬ seite verschweißt. Auf diese Weise wurde der Stromübergang von einer Seite der Trennplatte 6 auf die andere Seite un¬ abhängig von gewissen Betriebsparametern gewährleistet.

Es wurden insgesamt 21 plattenförmige, aus je einer hohlen Trennplatte 6, zwei keramischen, gasdurchlässigen Zwischen¬ lagen 11, einem Stromkollektor 12 auf der Sauerstoffseite und einem Stromkollektor 13 auf der Brennstoffseite be¬ stehende Körper gefertigt. Desgleichen wurden total 20 aus Feststoffelektrolyt 1, Sauerstoffelektrode 2 und Brenn¬ stoffelektrode 3 bestehende, keramische Platten herge¬ stellt. Nun wurden abwechslungsweise die Trennplattenkörper mit den Brennstoffzellen-Platten hintereinander angeordnet und zusammengebaut. Der ganze Stapel wurde unter Ausübung einer senkrecht zur Plattenebene wirkenden Kraft von 200 N zusammengedrückt und durch einen äußeren metallischen Rah¬ men in dieser vorgespannten Lage gehalten. Die mittlere Flächenpressung im Stapel betrug somit ca. 20 kPa.

Der Brennstoff (CH4) wurde über einen externen Zuleitungs¬ kanal 14 dem unteren Ende des Fortsatzes 16 der Trennplatte 6, das mit einer Öffnung vesehen war, zugeführt. Der Zu¬ leitungskanal 14 hatte die Form eines durchgehenden, mit seitlichen Schlitzen versehenen Rohres, das am Zuführungs¬ ende mit einem Sechskantteil und am anderen Ende mit einem Gewinde mit Hutmutter versehen war. An beiden Enden dieses Rohres sowie zwischen je zwei benachbarten Trennplatten 6 waren zur Abdichtung der Zufuhr des Brennstoffs (CH4) Dich¬ tungselemente 17 aus Polytetrafluoräthylen angebracht. An beiden Enden des den Stapel zusammenhaltenden metallischen

Rahmens waren elektrisch isolierende Keramikplatten aus AI2O3 angeordnet. Am jeweils letzten Stromkollektor 12 bzw. 13 war je eine elektrische + bzw. - Klemme angeschweißt.

Der Brennstoffzellen-Stapel wurde in eine Vorrichtung ein¬ gebaut, in die von unten vorgewärmte Luft als Sauerstoff- träger unter geringem Überdruck eingeführt wurde. Nach Ein¬ schalten des Luftgebläses und der Brennstoffzufuhr 14 wur¬ den die getrennt durch die Brennstoffzelle geführten Gase in der der Brennstoffzelle nachgeschalteten Nachbrennzone elektrisch gezündet. Die durch Verbrennung erzeugte Wärme wurde dann über einen in das Gerät integrierten Wärmeaus¬ tauscher an die Frischluft übertragen. Über einen externen Zuleitungskanal 15 gelangte die so vorgewärmte Luft über die interne Zufuhr 9 in die durch die Außenfläche der pro¬ filierten Trennplatte 6 gebildeten Kanäle für den Sauer¬ stoffträger in den Bereich der Brennstoffzellen. Diese wur¬ den also durch das Entlangstreichen der Luft auf der Sauer¬ stoffseite nach oben aufgeheizt.

Nach Erreichen einer Temperatur von ca. 650° C setzte die elektrochemische Umwandlung des Brennstoffs (CH4) im vor¬ liegenden Fall H2 ein. Dieser Brennstoff strömte bei dieser Temperatur immer noch größtenteils ungenutzt durch die Brennstoffzelle, obgleich bei sehr niedriger Stromdichte bereits eine elektrische Spannung festgestellt werden konn¬ te. Der aus dem Stapel ausströmende Brennstoff wurde in der

Nachverbrennungszone, die sich direkt hinter der Brenn¬ stoffzelle befand, weiterhin mit der heißen Luft zur Reak¬ tion gebracht und verbrannt, wobei die freiwerdende Wärme im Wärmeaustauscher zur weiteren Erhitzung der zugeführten Luft herangezogen wurde. Dadurch erreichten die Brenn¬ stoffzellen in kurzer Zeit (ca. 30 Minuten) eine Temperatur von 850° C, bei der die elektrochemische Umwandlung des Brennstoffs mit dem Sauerstoff der Luft voll einsetzte.

Die Brennstoffzellenanordnung wurde über eingebaute Ther- mostate auf einer Betriebstemperatur von 850° C einge¬ stellt. Bei Erreichen dieser Temperatur wurde der Brenn¬ stoffström über einen Regler derart beeinflußt, daß eine elektrochemische Umsetzung von 50 % erzielt wurde. Über einen anderen Regler wurde der Sauerstoffträger (Luft) so eingestellt, daß eine konstante Betriebstemperatur von 850° C gehalten wurde. Bei einer Nennstromdichte von 0,2 A/cm^ einseitiger, aktiver Elektrodenoberfläche wurde ein fester Normstrom von 20 A gefahren. Die Zellenspannung betrug durchschnittlich 0,73 V, die gesamte Spannung des Stapels (20 Zellen) 14,6 V und die Leistung 282 W. Die mittlere Umsetzungsintensität pro Brennstoffzellenfläche (Leistungsdichte) betrug demnach 0,146 W/cm^.