DE102004006915B4

DE102004006915B4 - Brennstoffzelle und Verfahren zur Abreicherung von Kohlendioxid

Info

Publication number: DE102004006915B4
Application number: DE102004006915A
Authority: DE
Inventors: Guenter Mayer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: WO2005078836A3; DE502005007278D1; EP1726054B1; DE112005000900D2; ATE431624T1; CA2596793A1; WO2005078836A2; US7727646B2; EP1726054A2; US20090186244A1; DE102004006915A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit Anoden-kammer, Kathoden-Kammer und Elektrolytraum sowie Zuleitungen für Brenngas und Ableitungen für entstehendes Kohlendioxid und Wasser an der Anodenkammer und Zuleitungen für Sauerstoff und Kohlendioxid sowie Ableitungen für Restsauerstoff und Restkohlendioxid an der Kathoden-Kammer, wobei die Anoden-Kammer und die Kathoden-Kammer einen Metallschwamm und Kathoden-Kammer einen Metall- und Keramikschwamm aufnehmen kann. DOLLAR A Die Brennstoffzelle ist unterteilt in eine Anoden-Kammer, eine äußere Kathoden-Kammer und eine mittlere Kathoden-Kammer, wobei zwischen der Anoden-Kammer und der mittleren Kathoden-Kammer und zwischen der mittleren und der äußeren Kathoden-Kammer separate Elektrolyträume angeordnet sind. DOLLAR A Die mittlere Kathoden-Kammer ist von einem Elektrolytkanal durchgegriffen und die Zu- und Ableitungen für Sauerstoff an der mittleren Kathoden-Kammer und die Zu- und Ableitung für CO¶2¶ sind an der äußeren Kathoden-Kammer angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige mehrkammerige Brennstoffzelle, in welcher unter Verwendung von Kohlendioxid und Wasserstoff in einer Alkalischmelze (LiKCO₃) ein elektrischer Strom erzeugt wird. Die Gase werden durch Anoden und Kathoden geleitet, wobei die Gase an den Grenzflächen mit der Schmelze in Kontakt treten und diese einen Elektronenfluss erzeugen.

Die WO 98/08264 A2 schlägt vor, das Kohlendioxid in die Carbonatmatrix beabstandet von der Kathode in eine Mehrkammerbrennstoffzelle einzutragen, wobei zwischen Anoden- und Kathodenkammer eine Elektrolytschmelzkammer angeordnet ist. Dies bringt jedoch Stabilitätsprobleme der Zelle und damit verbundene Undichtigkeiten mit sich, da das Gas in der Schmelze mechanisch arbeitet, und die Druckunterschiede in der Anoden- und der Kathodenkammer Kräfte auf die Kammer innerhalb des Elektrolyten übertragen. Außerdem kann der Strömungsquerschnitt und damit der Abstand der beiden Innenwände innerhalb des Elektrolyten nicht beliebig variiert werden, um einen reibungslosen Prozess zu gewähren.

Von Elektrolytmatrizen wird erwartet, dass sie strukturell stabil sind und sich in sehr dünnen Platten herstellen lassen, damit die Impedanz in der späteren Zelle möglichst niedrig ist. Und sie sollten sehr preiswert herstellbar sein. Eine Voraussetzung dafür, sie preiswert herstellen zu können, besteht u.a. darin, dass sie als Folie aus einer wässrig dispergierbaren Masse aufziehbar sind. Elektrolytmatrizen bestehen heute aus Keramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder eine Mischung aus Aluminiumoxid und Zirconiumdioxid. Die Elektrolytmatrix wird von beiden Seiten durch einen hohen Flächenandruck belastet, durch welchen der Kontakt zwischen Elektrode und Elektrolyt erst zustande kommt. Es ist bekannt, dass es insbesondere bei länger laufendem Betrieb der Zelle zu vereinzelten Rissbildungen kommt. In der DE 199 36 087 A1 wird daher vorgeschlagen, die Elektrolytmatrix mit riss-stoppenden Zuschlagstoffen zu durchmischen. Diese bestehen aus FeCrAl-Partikeln, welche durch eine Voroxidation mit einer elektrisch isolierenden AlO₂-Schicht umgeben sind und sich dadurch in einer wässrigen Dispersion verarbeiten lassen.

In der US-Patentschrift US 4 643 955 A wird eine Brennstoffzelle offenbart, welche aus einer porösen Anode und einer porösen Kathode besteht und durch eine Elektrolytmatrix voneinander beabstandet wird. Das Problem der chemischen Auflösung der Kathode, welche vorzugsweise aus Nickeloxid besteht, wird darin in der Weise gelöst, dass mögliche Undichtigkeiten in der Elektrolytmatrix durch eine zweite Elektrolytschicht verhindert werden, indem zwischen der Anoden-Kammer und der Elektrolytmatrix eine weitere poröse mit Elektrolyt getränkte Metallschicht eingezogen und zwischen der Kathode und der Elektrolytmatrix eine poröse metallische Schicht eingefügt wird, welche nicht mit Elektrolyt getränkt ist und als Drainage wirkt. Die Anode und Kathode sind mit einer Porenweite von mehr als 5 μm und die der Elektrolytmatrix am nächsten angeordneten Schichten sind mit einer Porenweite von weniger als 1 μm ausgeführt. Der noch durch die Elektrolytmatrix diffundierende Wasserstoff wird durch den Sauerstoff zu Wasser oxidiert. Die als Drainage ausgebildete Schicht besitzt eine Porenweite von <1μm, wodurch die Oxidation durch den übrigen Massenstrom nicht behindert wird. Durch diese Maßnahme wird gegenüber einer Brennstoffzelle ohne eine derartige Schutzvorrichtung eine verminderte Reduktion von Ni-Ionen zu elementarem Nickel in der Elektrolytmatrix erreicht.

In der Japanischen Anmeldung JP 07045296 A wird zur Vermeidung von Kurzschlüssen in der Elektrolytmatrix durch Ni-Ionen vorgeschlagen, die Zelle aus 3 porösen Schichten sowie einer perforierten Metallplatte aus Nickel herzustellen. Die mittlere poröse Schicht ist mit Elektrolytmasse getränkt und bildet die Elektrolytmatrix. An die Elektrolytmatrix grenzt auf der einen Seite eine gasdurchlässige Anode und an der ihr gegenüber liegenden Seite eine gasdurchlässige Kathode an, in welcher nahe der Elektrolytmatrix eine perforierte Nickelplatte eingefügt ist. Die perforierte Nickelplatte dient hierbei als eine Art Drainage, in welcher der durch die Elektrolytmatrix diffundierende Wasserstoff mit dem Sauerstoff in der Kathode zu Wasser verbrennen soll.

Das für die Herstellung von Elektroden bis dato geläufigste Material ist das Nickel. Das Hauptproblem mit Elektroden aus Nickel und Nickellegierungen sind jedoch noch immer die strukturelle Instabilität. Die Elektroden können im Laufe der Zeit während des Betriebes plastisch verformt oder bei kurzzeitigem Gebrauch gesintert werden, so dass die spezifische Oberflächenausdehnung einer porösen Elektrode verringert wird und der Anpressdruck an die Elektrolytmatrix nachgibt, wodurch die Zelle an Leistung verliert. In der DE 689 01 782 T2 wird vorgeschlagen, die poröse Elektrode mit gleichmäßig darin verteilten keramischen Teilchen zu durchmischen, wobei die keramischen Teilchen von einer dünnen Schicht aus Lanthan überzogen sind. Mit den keramischen Teilchen wird ein Versintern der Nickelkörner untereinander verhindert.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Brennstoffzelle zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik (SdT) wesentlich stabiler ist, die keine Undichtigkeiten aufweist und die einen weiten Strömungsquerschnittsbereich zulässt. Außerdem soll die Zelle auch mit einem Mischgas aus CO₂ und anderen z. B. brennbaren Gasen betrieben werden können, was sowohl mit der in der WO 98/08264 A2 beschriebenen als auch mit allen anderen bis dato bekannten Brennstoffzellen ausgeschlossen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt nach Hauptanspruch 1 durch eine Brenn stoffzelle mit Anoden-Kammer, Kathoden-Kammer und Elektrolytraum sowie Zuleitungen für Brenngas (H₂ und/oder CO) und Ableitungen für entstehendes Kohlendioxid und Wasser an der Anoden-Kammer und Zuleitungen für Sauerstoff und Kohlendioxid sowie Ableitungen für Restsauerstoff und Restkohlendioxid an der Kathoden-Kammer, wobei die Anoden-Kammer und die Kathodenkammer einen Profilkörper oder einen weitporigen Metallschwamm aufnehmen erfindungsgemäß dadurch, dass die Brennstoffzelle in eine äußere Kathoden-Kammer und eine mittlere Kathoden-Kammer unterteilt und zwischen der Anoden-Kammer und der mittleren Kathoden-Kammer bzw. der äußeren Kathoden-Kammer zwei separate Elektrolyträume angeordnet sind. Die mittlere Kathoden-Kammer ist von einem Elektrolytkanal durchgriffen und die Zu- und die Ableitung für CO₂ an der äußeren Kathoden-Kammer angeordnet.

Der Metallschwamm in der mit Kohlendioxid beströmten äußeren Kathoden-Kammer kann durch einen Keramikschwamm ausgetauscht werden, ohne dass die Funktionsweise des Ionen bildenden Prozesses im angrenzenden Elektrolyten darunter leidet. Durch den Einsatz eines derartigen Schwamms wird ein generelles Standzeitproblem gelöst derart, dass die schwammartige Kathodenkammer, die üblicherweise aus Nickeloxid besteht, nicht mehr chemisch reagieren kann, wodurch für dieselbe eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer erreicht wird. Es verbleibt somit lediglich die Reaktionsfläche des Elektrolyten für besonders aggressive Gase, die dem Kohlendioxid beigemischt sind, die dessen Lebensdauer begrenzt.

Die sich neu eröffnende Möglichkeit, in der äußeren Kathodenkammer außer Kohlendioxid auch brennbare Gase durchleiten zu können, hat schließlich den Vorteil, dass man den Brenngasschlupf aus der Anodenkammer in vollem Umfang derselben wieder zuführen kann. Brennstoffzellen haben bekanntlich einen Brenngasschlupf zwischen 15 und 30%. Dieser Schlupf kann innerhalb des Brennstoffzellensystems bis dato nur dadurch genutzt werden, indem man ihn mit Hilfe von Sauerstoff katalytisch in Wärmeenergie umwandelt. Mit der vollständigen Rückführung kann das Brenngas somit bis nahe 100% in elektrische Energie umgewandelt und auf eine katalytische Umwandlung des Brenngasschlupfes verzichtet werden.

Da die Gase, insbesondere die den Anodenkammern zugeführten, bei der Stromerzeugung nicht vollständig umgesetzt werden, wird vorgeschlagen, diese in an sich bekannter Weise unter Zumischung von Frischgas teilweise im Kreis zu führen.

Eine Reduktion des Carbonat-Ions ist hierbei nicht möglich, da dieses aufgrund des Potentialunterschiedes zwischen Anode und Kathode in Richtung Anode angetrieben wird und eine Fehlstelle an der Elektrolyt-Grenzfläche zurücklässt, in die lediglich ein neues CO₂-Molekül aus der Kathodenkammer nachrücken kann.

Somit lassen sich mit diesem Prinzip auch andere Gasströme, insbesondere brennbare, wie z. B. Prozess-, Bio-, Gruben- oder Erdgas von Kohlendioxid selektiv abreichern. Erfindungsgemäß nach Anspruch 14, lassen sich brennbare Gase, wie beispielsweise das Erdgas von dem darin enthaltenden Kohlendioxid abreichern.

Als weiterer besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist anzusehen, dass der äußeren Kathodenkammer beliebige CO₂ enthaltende Gasmischungen zugeführt werden können, da diese nicht in die Carbonatschmelze eingetragen werden müssen und damit auch nicht oxidiert werden. Auf diese Weise lassen sich z.B. Abgase aus Biogasreaktoren von CO₂ Anteilen unter Stromerzeugung reinigen, wobei im Falle des Anschlusses von solchen Reaktoren aus der Pharmaindustrie die Sterilität erhalten bleibt und am Ausgang gereinigter Luftsauerstoff austritt, welcher dem Reaktor wieder zugeführt werden kann.

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle ist wie folgt: Kohlendioxid (CO₂) wird an der äußeren und/oder mittleren Kathode durch die Elektrolytschmelze absorbiert. Gleichzeitig wird Sauerstoff an der mittleren Kathode reduziert und setzt sich mit dem in der Elektrolytschmelze gelösten Kohlendioxid (CO₂) zu Carbonat-Ionen (CO₃ ^2–) um. Diese fließen daraufhin in Richtung Anode. Der Anode wird Wasserstoff (H₂) als Brenngas alleine, in Verbindung mit Kohlenmonoxid (CO) oder nur CO zugeführt, wobei der Wasserstoff zu Wasser (H₂O) und das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid (CO₂) oxidiert wird und mit den Carbonat-Ionen (CO₃ ^2–) aus der Schmelze Kohlendioxid (CO₂) als Spaltgas umgesetzt wird. Das Kohlendioxid wird in einem Kreislauf von der Anode zur äußeren und/oder mittleren Kathode zurückgeführt.

Die Reaktionen lauten:
Kathodenreaktion ½O₂ + CO₂ + 2^e– → CO₃ ^2–
Elektrolyt Kathode → CO₃ ^2– → Anode

Anodenreaktionen:

a) in Abwesenheit von CO H₂ + CO₃ ^2– → CO₂ + H₂O + 2e^–
b) in Gegenwart von CO H₂ + CO + 2CO₃ ^2– → 3CO₂ + H₂O + 4e^–
c) in Abwesenheit von H₂ CO + CO₃ ^2– → 2CO₂ + 2e^–

An die Elektrolytmatrix werden besondere Ansprüche gestellt. Eine besondere Beanspruchung an die Brennstoffzelle und im Besonderen an die Anoden- und die Kathoden-Kammer sowie die Elektrolytmatrix stellen u. a. der Temperaturwechsel, die Temperaturverteilung und die Druckbelastung durch die Anpressung der Anoden- und der Kathoden-Kammer an die Elektrolytmatrix dar. Der Temperaturwechsel bewirkt Verwerfungen, welche im ungünstigen Fall zu Rissbildungen und zu Undichtigkeiten führen. Durch die Temperaturverteilung in den Kammern kann es zu Versinterungen kommen, wodurch der Anpressdruck an die Elektrolytmatrix nachgibt und die Zelle an Leistung verliert. Außerdem bildet sich ein Temperaturprofil mit einer Temperaturdifferenz zwischen dem Ein- und dem Auslass der einzelnen Kammer, welche aus der Strömungsgeschwindigkeit des einzelnen Gasstroms resultiert, wobei der geschwindigkeitsabhängige Strömungswiderstand in der durchströmten Kammer durch die Porenweite in den Metallschwämmen von der Anoden- und der Kathoden-Kammer bestimmt wird.

Das Problem ist nach heutigem SdT nicht in allen Punkten gleichzeitig lösbar. Es besteht daher der Bedarf nach einer neuen ganzheitlichen Lösung. Die Aufgabe gelingt erfindungsgemäß in drei Teilschritten derart, dass a) die Elektrolytmatrix zusammen mit der Anoden- und der mittleren Kathoden-Kammer einen Halb-Kondensator bildet und als Ionen leitender Schichtkörper ausgeführt ist, wobei die Kathoden-Elektrode als Kondensatorplatte und die Anoden-Elektrode als Stromableitplatte für eine externe Kondensatorplatte dienen, b) die Stromkollektoren in der Anoden- und der Kathoden-Kammer über eine Feder druckmindernd mit der Anoden- und der Kathoden-Elektrode verbunden sind und die Metallschwämme in der Anoden- und der Kathoden-Kammer für eine bessere Kühlung durch offenere Körper mit niedrigerem Strömungswiderstand ersetzt sind und c) die von außen auf die Anoden- und Kathoden-Kammer einwirkenden Flächenkräfte durch Körper absorbiert werden, welche die Anoden- und die Kathoden-Kammer mit den dazugehörigen Ein- und Auslässen abdichtend umfassen und wodurch die Anoden- und Kathoden-Kammer nebst Halb-Kondensator von dem anliegenden Anpressdruck entlastet werden.

Um die Vorteile des Halb-Kondensators gegenüber einer herkömmlichen Elektrolytmatrix zu verdeutlichen, folgt zunächst eine Beschreibung des SdT.

Die in der Kathoden-Kammer generierten und vom Elektrolyten aufgenommenen Carbonat-Ionen (CO₃ ^2–) fließen in demselben von der Kathode zur Anode, indem sie durch einen zwischen der Anode und der Kathode herrschenden Ladungsunterschied angetrieben werden. Ein solcher Ladungsunterschied besteht zwischen den Elektrodenplatten eines Kondensators.

Die in Brennstoffzellen verwandten Kondensatoren sind als Plattenkondensatoren ausgeführt derart, dass sie aus einer Anoden- und einer Kathoden-Elektrode sowie einem als Dielektrikum wirkenden Elektrolyten bestehen, wobei sich der Elektrolyt in einem Gehäuse befindet, der Elektrolytmatrix, welche die beiden Elektroden voneinander beabstandet. Der Elektrolyt bewirkt auf beiden Seiten eine Polarisationsladung und lässt einen Teil der Feldlinien dort enden, wodurch die Stärke des elektrischen Feldes abnimmt und eine die Ladung verstärkende Wirkung eintritt.

Die Kapazität eines Kondensators wird des Weiteren durch die Elektronen aufnehmende Oberfläche bestimmt. Diese muss gasdurchlässig sein, weshalb man poröse Metallschwämme verwendet. Der Zugewinn an Oberfläche ist gegenüber einer Folienlösung beachtlich, wobei die Korngröße der Metallkörner nicht zu klein gewählt werden darf. Dies aus zweierlei Gründen. Mit kleiner werdender Korngröße schrumpft die Porenweite des Metallschwamms, wodurch sich der Strömungswiderstand in der Elektrode vergrößert und die Antriebsleistung für das zu transportierende Gas steigt. Gleichzeitig nehmen die Kapillarkräfte im Metallschwamm durch die enger werdende Porenweite zu und entziehen der Elektrolytmatrix den Elektrolyten, wodurch die Elektrode mit Elektrolyt voll läuft und es in der Elektrolytmatrix zu einer Ausdünn ung von Elektrolyt und schließlich zu einer Unterbrechung der ionischen Verbindung zwischen den beiden Elektroden kommt. Aus diesem Grunde bevorzugt man für den Metallschwamm eine Korngröße zwischen ca. 3 μm und 10 μm und für die Elektrolytmatrix ca. 0,3 bis <1 μm. Die Vergrößerung der Elektronen aufnehmenden Oberfläche wird daher durch rein praktische Umstände begrenzt. Aus diesem Grunde muss die Elektrode einem sog. Aktivierungsprozess unterzogen werden, in welchem man die Oberfläche nachträglich mit Nano-Poren vergrößert.

Schließlich ist die ionische Verbindung zwischen der Elektrolytmatrix und der beidseitig anliegenden Elektrode herzustellen. Da die Elektrolytmatrix eine sehr enge und die Elektrode eine relativ weite Porenweite aufweisen und der Elektrolyt nicht als Ausstülpung aus der Elektrolytmatrix hinausragt, sondern eingestülpt ist, muss der Metallschwamm unter hohem Druck an dieselbe angedrückt werden. Es gibt also auch noch den Aspekt der Kontaktierung zwischen dem Metallschwamm und den mit Elektrolyt gefüllten Poren in der Elektrolytmatrix. Damit trotz starker Anpressdrücke überhaupt ein Kontakt zustande kommt, darf die Korngröße zwischen der Elektrolytmatrix und dem Metallschwamm nicht zu weit auseinander liegen, damit eine Verbindung zwischen Elektrolyt und Metallschwamm mit Hilfe des metallischen Abdrucks gelingt. Durch eine derartige Verformung des Metallkorns wird die Verbindung mit dem Elektrolyten im Porenraum der Elektrolytmatrix hergestellt. Die starke Anpressung überträgt sich jedoch auch auf den übrigen Metallschwamm und bewirkt, dass sich die Porenräume in demselben verengen. Teilweise kann es zu einer Überschreitung der Elastizitätsgrenze kommen. Die Verformung setzt sich fort, sobald die Elektrode ihren betriebswarmen Zustand entgegengeht und eine weitere Erhöhung der Anpresskräfte durch die Wärmeausdehnung des Metallschwamms hinzukommen.

Es besteht daher der Bedarf nach einer Lösung, durch welche die starken An presskräfte an die Elektrolytmatrix und an die poröse Anoden- und Kathoden-Elektrode abgeschwächt werden. Die gestellte Aufgabe gelingt erfindungsgemäß nach Anspruch 4, indem man beidseitig an die Elektrolytmatrix Elektroden anbringt, welche über den eingefüllten Elektrolyten in der Elektrolytmatrix ionisch miteinander verbunden sind. Die Elektroden sind des Weiteren Teil von Dreiphasengrenzen „fest/flüssig/gasförmig", an welchen der Ionisierungs- und der Entladungsprozess ablaufen. Der Antrieb für die Carbonat-Ionen erfolgt durch den Ladungsunterschied zwischen der Kondensatorplatte auf der Kathodenseite und einer von außen an der Anoden-Elektrode anliegenden Kondensatorplatte.

Die Brennstoffzelle besteht also in ihrem Kern aus einem Halb-Kondensator mit einer Kondensatorplatte auf der Kathodenseite in Form eines ionisch leitenden Schichtkörpers sowie einer separaten Kondensatorplatte auf der Anodenseite. Der Halb-Kondensator setzt sich aus insgesamt drei Schichten zusammen, welche sind eine poröse Elektrolytmatrix, beispielsweise aus Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid oder eine Mischung aus beiden, eine poröse gesinterte Kathoden-Elektrode aus Nickeloxid als Kathoden-Kondensatorplatte und Kathoden-Elektrode, eine Anoden-Elektrode sowie einen die Kathoden-Elektrode und die Keramikplatte durchdringenden Elektrolyten. Die Anoden-Elektrode besteht aus einer Nickelschicht, welche beispielsweise durch Aufdampfung oder Sputtern auf die Keramik aufgebracht wird.

Die Elektrolytmatrix besitzt eine Wandstärke von vorzugsweise 50 μm bis 100 μm und eine Porosität zwischen 30 und 60%. Die Kathoden-Elektrode besteht aus Nickeloxid und weist eine Schichthöhe von vorzugsweise 1.500μm bis 2.000μm und die Anoden-Elektrode weist eine Dicke von ca. 1μm bis 5μm auf.

Die Elektrolytmatrix wird erfindungsgemäß nach Anspruch 23 während der Beschichtung der Anoden-Elektrode auf der Kathodenseite einem Überdruck und auf der Anodenseite einem Unterdruck ausgesetzt. Mit dem Überdruck auf der Kathodenseite wird ein Gas in die noch ungefüllte Elektrolytmatrix eingeleitet, welches aus der Anodenseite austritt. Mit dem Gas wird erreicht, dass der Metalldampf sich während des Aufdampfens und des Sputterns nicht in den Poreneingängen niederschlägt und die Poren auf der Anodenseite verschließt. Der Beschichtungsvorgang wird spätestens dann beendet, sobald die Poreneingänge beginnen, sich zu verengen. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erkennen, dass der Unterdruck auf der Anodenseite zunimmt.

Je nach angewandtem Verfahren kommt das dafür am besten geeignete Prozessgas zum Einsatz. Für die Beschichtung nach der Aufdampfmethode ist dies beispielsweise der Wasserstoff oder das Kohlenmonoxid, während bei der Sputtermethode eher nur Argon als Prozessgas zum Tragen kommt.

Die Spülung der Elektrolytmatrix mit Prozessgas hat den Vorteil, dass sich die Poreneinlässe auf der Anodenseite zwar etwas verengen, aber nicht vollständig verschließen. Das Zuwachsen der Poreneinlässe bewirkt, dass die Kapillarkräfte im Porenraum weiter zunehmen, wodurch in denselben die Einstülpung des Elektrolyten schwindet und sich stattdessen eine Ausstülpung entwickelt. Durch die Ausstülpung gelingt es dem Elektrolyten, sich mit der Anoden-Elektrode zu verbinden. Gleichzeitig sind die Porengänge offen, so dass die Spaltgase Kohlendioxid und Sauerstoff den Elektrolyten bei der elektrischen Entladung der Carbonat-Ionen ungehindert verlassen können, ohne dass sie mechanische Arbeit im Elektrolyten verrichten.

Die Kathoden-Elektrode wird nach der Aufbringung der Anodenfolie als Folie nach SdT auf die poröse Keramikplatte aufgezogen, luftgetrocknet, in einem Wärmeprozess von organischen Bindemitteln befreit und anschließend unter Sauerstoff- Atmosphäre gesintert und oxidiert. Hierzu wird das Nickelpulver mit Bindemittel, Weichmacher, etc. zuvor zu einer pastösen Masse verarbeitet und unter Vakuum entlüftet.

Die Nickeloxidschicht besitzt eine mittlere Korngröße von vorzugsweise 0,3μm. Durch diese Korngröße wird bereits bei einer Stärke von 2mm eine ausreichend große Gegenelektrode für die Anode bereitgestellt, ohne dass die Folienschicht aktiviert werden muss. Die gewählte Korngröße hat den Vorteil, dass es innerhalb der Folie zu starken Kapillarkräften kommt, welche ausreichen, den aufzunehmenden Elektrolyten auf Dauer in sich zu halten, wobei der die Kathoden-Elektrode durchdringende Elektrolyt als Dielektrikum auf dieselbe Ladung verstärkend wirkt.

Die Befüllung der Elektrolytmatrix mit Elektrolyt erfolgt nach SdT, indem der Elektrolyt vorzugsweise an der Stelle eingeleitet wird, welche für den Anschluss des Elektrolytkanals vorgesehen ist und von Kathodenmaterial befreit vorliegt.

Für die Herstellung der vollen Funktion zwischen der Kathoden- und Anoden-Elektrode fehlt lediglich noch die Kondensatorplatte auf der Anodenseite. Diese besteht vorzugsweise aus einem Nickelschwamm und wird durch eine Anpressung mit der Anoden-Elektrode verbunden. Die Herstellung derselben erfolgt in gleicher Weise wie die der Kathoden-Elektrode, mit der Ausnahme, dass der Sinterprozess unter Wasserstoff-Atmosphäre erfolgt, wobei die mittlere Korngröße vorzugsweise bei ca. 3μm bis 5 μm und die Dicke der Schicht bei ca. 5mm liegt. Dieser Prozess erfolgt vorzugsweise im zusammengebauten Zustand der Brennstoffzelle. Dadurch wird erreicht, dass der noch formbare Grünling sich besser an die Anoden-Elektrode angleichen lässt und mögliche Unebenheiten und Maßtoleranzen behebt.

Der aus drei Schichten bestehende Halb-Kondensator liefert auf der Anoden- und der Kathodenseite gute Stromübergangsstellen durch direkt kontaktierbare Elektrodenanschlüsse, welche nicht versintern. Dadurch, dass sich die einzelne Elektrode mit geringem Anpressdruck mit dem Stromkollektor gut leitend verbinden lässt, sinkt die mechanische Belastung und zwar sowohl an der Elektrode als auch an der Elektrolytmatrix. Damit werden die bis dato bekannten Probleme der Kriechbildung an der Elektrode und das der Rissbildung an der Elektrolytmatrix, welche aus einer übermäßigen mechanischen und thermischen Belastung resultieren, beseitigt. Durch die Verklebung von Kathoden-Elektrode und Elektrolytmatrix durch den Elektrolyten wird sowohl die Stabilität der Elektrolytmatrix insgesamt als auch die der Kathoden-Elektrode erhöht, wodurch auch das Problem einer Verwerfung bei starken Temperatur- und Lastwechseln schwindet. Gleichzeitig wird durch die Verklebung zwischen Kathoden-Elektrode und Elektrolytmatrix erreicht, dass im Falle einer Rissbildung in derselben durch den umgebenden und in den Riss nachrückenden Elektrolyten aus der Kathoden-Elektrode der Riss selbst heilend ist. Dadurch lässt sich die Wandstärke der Elektrolytmatrix weiter auf einen Wert reduzieren, wie er bei einer herkömmlichen Ausführung aus Stabilitätsgründen nicht möglich ist. Die daraus resultierende Abstandsverringerung zwischen Anode und Kathode hat für den Transport der Carbonat-Ionen danach zweierlei Vorteil, nämlich a) dass sich die Kapazität zwischen der Anode und der Kathode durch die Abstandsverringerung der beiden anliegenden Elektroden erhöht und somit der Antrieb für die Carbonat-Ionen in der Schmelze steigt und b) die Carbonat-Ionen auf einer kürzeren Wegstrecke von der Kathode zur Anode gelangen. Beide Veränderungen a) und b) führen dazu, dass die Impedanz zwischen der Anode und der Kathode gegenüber einer herkömmlichen Elektrolytmatrix sinkt.

Die Kühlung der Anoden- und der Kathoden-Kammer und die Absenkung des Strömungswiderstandes werden nach Anspruch 5 erfindungsgemäß mit weiten Öff nungen erreicht.

Als Material kommt vorzugsweise Stahl und Aluminium zur Anwendung. Der offene Körper ist mit einer gasdurchlässigen Wand auf der der Elektrode zugewandten Seite und davon gegenüber mit einem Stromkollektor abgeschlossen. Die offenen Körper werden beispielsweise unter Federdruck an die Anoden- und die Kathoden-Elektrode angelegt. Eine vorteilhafte Ausführung eines offenen Körpers bilden Profile und offenporige Metallschwämme, welche beispielsweise in Spritztechnik herstellbar sind.

Der Profilkörper ist vorzugsweise aus einzelnen zu offenen Dreiecken gefalzten Blechen zusammengesetzt, welche beispielsweise mit ihrer Spitze auf der gasdurchlässigen Wand stehen und deren dritte Schenkelseite mittig durchtrennt und in zwei Schenkelhälften nach außen soweit umgeschlagen sind, dass sie als Stromübertragungs- und Federblech am Stromkollektor anliegen. Die Bleche und insbesondere die an die Elektrode angrenzende Wand, welche mit dem Elektrolyt in Kontakt kommt, sind – sofern sie korrodieren können – beispielsweise galvanisch vernickelt oder verchromt.

Profilkörper sind einfach und preiswert herstellbar und eignen sich gut für die Massenfertigung. Durch die auf Kante gesetzten Profilteile auf der gasdurchlässigen Wand wird erreicht, dass nur wenige Öffnungen in der Wand von dem Profilkörper abgedeckt werden und die überwiegende Elektrodenfläche für den Zu- und Abgang des Gasstroms frei bleibt. Dies hat den Vorteil, dass die Dreiphasengrenze zwischen Elektrode, Schmelze und gasführender Kammer erhalten bleibt. Der Profilkörper kann zudem so ausgeführt werden, dass beispielsweise mehrere Profile kammartig ineinander greifen, wodurch sich die Abstände zwischen den Auflagenflächen ver ringern und es zu einer gleichmäßigeren Kraftverteilung auf der gasdurchlässigen Wand kommt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung stellen die offenporigen Metallschwämme, beispielsweise aus Stahl oder Aluminium dar, welche nach SdT in Spritztechnik hergestellt werden. Diese haben den Vorteil, dass sie gegenüber der Profiltechnik in kürzerer Zeit preiswerter herstellbar sind.

Die Verminderung der flächig auftreffenden Anpresskräfte auf die Anoden- und die Kathoden-Kammer sowie der Elektrolytmatrix und/oder des Halb-Kondensators erfolgt erfindungsgemäß nach Anspruch 6 durch Körper, welche die Anoden- und die Kathoden-Kammer umfassen und die flächig auftreffenden Kräfte auf sich ziehen und adsorbieren.

Die Lösung gelingt, indem ein Zylinderring die Anoden- und die Kathoden-Kammer umfasst. Der Zylinderring besteht beispielsweise aus Stahl, Aluminium oder einer Keramik und bevorzugt aus einer Keramik und besonders bevorzugt aus Aluminiumoxid oder Zirconiumdioxid.

Der Zylinderring wird mit dem Halb-Kondensator auf deren äußeren Ringfläche fest verbunden und in seiner Höhe so bemessen, dass die in ihm eingebauten offenen Anoden- und Kathoden-Körper mit ihren Stromkollektoren den oberen Rand des Zylinders nicht überschreiten. Der Zylinder wird durch einen Deckel verschlossen. Die von außen auf die Deckelfläche einwirkende Kraft wird von diesem auf die Wandung des darunter befindlichen Zylinderrings übertragen und in demselben adsorbiert.

Der Zylinderring wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung aus Alu miniumoxid hergestellt. Der Zylinderkörper wird beispielsweise nach SdT als Keramik gebrannt oder nach SdT aus einer mit Bindern versetzten Gießmasse hergestellt.

Gießmassen dieser Art sind beispielsweise als Pulver mit Binder unter der Typbezeichnung RTC-60/70 als Zweikomponenten-System von der Firma Polytec erhältlich. Das Mischungsverhältnis zwischen dem Pulver und dem Binder einerseits und dem Wasser andererseits beträgt 100:10 bis 100:20 und bevorzugt 100:14. Die zweikomponentige Gießmasse wird in eine Form gefüllt, in welcher sie chemisch aushärtet. Der Härtegrad lässt sich erhöhen, wenn der Formkörper in einem Ofen einer Hitze oberhalb von 600°C bis 1.200°C ausgesetzt wird. Der gehärtete Zylinderring lässt sich mechanisch nachbearbeiten, was beispielsweise mit einer gebrannten Keramik nicht möglich ist, wodurch Abweichungen, welche durch den Schrumpfprozess entstehen, noch korrigiert werden können. Ebenso ist es möglich, die Gießtechnik auf weitere Bauteile für die Brennstoffzelle zu übertragen.

Die Verbindung zwischen dem Zylinderring und dem Halb-Kondensator einerseits und dem Deckel andererseits erfolgt erfindungsgemäß nach Anspruch 6 durch einen Kleber, vorzugsweise durch einen keramischen Hochtemperatur-Kleber, beispielsweise auf der Basis von Zirconiumdioxid, Glimmer, Alumosilikaten oder Aluminiumoxid, wie er beispielsweise von der Firma Polytec erhältlich ist. Diese Stoffe sind beispielsweise mit Wasser vermischt oder werden vor der Anwendung gemischt. Auch die Klebetechnik soll sich nicht auf die Zylinderringe beschränken, sondern auf weitere Bauteile der Brennstoffzelle übertragbar sein.

Die Klebung hat den Vorteil, dass die Körper miteinander fest verbunden und dicht sind und vorzugsweise gleiche Ausdehnungskoeffizienten besitzen wie die zu klebenden Körper. Dies hat den Vorteil, dass es innerhalb der Klebestelle zu keinen thermisch verursachten Spannungen kommt.

Die mittlere Kathoden-Kammer wird mit einer Elektrolytmatrix verschlossen, welche die mittlere von der äußeren Kathoden-Kammer voneinander trennt.

Dies geschieht üblicherweise nach SdT unter starker Hitze und starkem Pressdruck durch eine Verklebung mit dem Schmelzelektrolyten in der Elektrolytmatrix. Die Pressklebung verlangt jedoch, dass sehr große Kräfte aufgebracht und gehalten werden müssen, welche sich durch den Kraftschluss auf die mittlere Kathoden-Kammer und die Anoden-Kammer übertragen. Dies führt in den Zylinderringen, welche die Anoden- und die mittleren Kathoden-Kammer umschließen, dazu, dass sich sämtliche Kräfte aus dem Pressdruck in den Ringflächen konzentrieren und von denselben adsorbiert werden müssen. Die Konzentration auf die Ringflächen bewirkt jedoch eine außerordentlich große Belastung, welche zum Bruch führen kann. Es besteht daher der Bedarf nach einer Lösung, die Kräfte nachhaltig zu reduzieren.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß nach Anspruch 7 dadurch, dass der Elektrolytraum der Elektrolytmatrix die äußere Kathoden-Kammer umfasst und der Körper der Elektrolytmatrix die mittlere Kathoden-Kammer verschließt.

Die Elektrolytmatrix ist mit Kanälen für das Kohlendioxid enthaltende Gas durchzogen. Eine derartige Ausführung hat den Vorteil, dass sich die Elektrolytmatrix und die aus einzelnen Kanälen bestehende Kathoden-Kammer zu einer mit Elektrolyt durchtränkten und wabenartigen Modul-Platte vereinigt. Die Kanäle umfassenden Wände mit den von Elektrolyt gefüllten Porengängen bilden eine große Reaktionsoberfläche mit dem Kohlendioxid enthaltenden Gas. Die Elektrolytmatrix wird als poröse Keramikplatte vorzugsweise aus Aluminiumoxid hergestellt und in ihren Abmessungen so angefertigt, dass die darin befindlichen Kanäle dem Stoffstrom einen möglichst geringen Strömungswiderstand entgegensetzen und diese sich gleichzeitig mit hoher Strömungsgeschwindigkeit durchströmen lassen. Der reduzierte Strömungswiderstand bewirkt einen geringeren Energiebedarf für den Gasstrom. Gleichzeitig kann bei einer geringeren Kohlendioxidkonzentration die Gasmenge in ihrem Durchsatz entsprechend gesteigert und die Elektrolytmatrix gekühlt werden. Schließlich hat das vorgeschlagene Aluminiumoxid den Vorteil, dass es gegenüber abrasiven Stoffen, wie sie beispielsweise in Rauchgasen von Kohlekraftwerken vorliegen, weitestgehend resistent ist.

Die Modul-Platte verschließt mit ihrer Fläche die mittlere Kathoden-Kammer, indem sie mit einem Hochtemperatur-Kleber mit der Ringfläche des Zylinderrings der mittleren Kathoden-Kammer verbunden wird. Durch die Klebung erfolgt eine dauerhafte Verbindung, durch welche eine weitere Pressung überflüssig ist.

Vor dem Verschluss der mittleren Kathoden-Kammer durch die Modul-Platte wird der Durchgriff des Elektrolyten durch die mittlere Kathoden-Kammer vorbereitet. Der Durchgriff des Elektrolyten durch die mittlere Kathoden-Kammer wird erfindungsgemäß nach Anspruch 8 dadurch gelöst, dass beide Elektrolytmatrizen mit mindestens einem mit Elektrolyt gefüllten Kanal miteinander verbunden werden. Ein derartiger Durchgriff kann beispielsweise aus einem Hohl-Zylinder bestehen, welcher mit seinen Enden mit den beiden Elektrolytmatrizen verklebt und im Innern mit Elektrolytmasse gefüllt ist.

Die Elektrolytmatrix im Halb-Kondensator ist hierzu von Elektrodenfläche an der Stelle freigelegt, an welcher die Klebung und die Verbindung des Durchgriffs und des die mittlere Kathoden-Kammer umfassenden Zylinderrings erfolgt.

Die freigelegte Stelle für den Durchgriff liegt beispielsweise in der Mitte des Halb-Kondensators und besteht beispielsweise aus einer kreisförmigen Fläche. Auf diese Fläche wird ein Keramik-Hohlzylinder mit Hilfe eines Klebers aufgeklebt und anschließend mit Elektrolytmasse gefüllt. Es ist auch möglich, weitere Durchgriffe am Rande der mittleren Kathoden-Kammer vorzusehen. Hierzu wird beispielsweise der die Kathoden-Kammer umfassende Zylinder-Ring mit durchgängigen Taschen versehen, in welche Elektrolyt eingefüllt wird. Der Zylinder-Ring wird mit seiner Ringfläche mit einem Kleber mit dem äußeren Rand des Halb-Kondensators verbunden. Sobald beide, der Durchgriff und der Ring mit der Keramikfläche fest verbunden sind, wird die mittlere Kathoden-Kammer durch die Modul-Platte mit Hilfe eines Klebers verschlossen.

Der Durchgriff ist in seinem Volumen so bemessen, dass er über seine Aufgabe hinaus auch als Depot für beide Elektrolytmatrizen dient. Die Befüllung des Durchgriffs erfolgt vorzugsweise durch die Modul-Platte hindurch. Hierzu befindet sich in der Modul-Platte eine durchgreifende Einfüllöffnung, welche mit dem Hohl-Zylinder und den möglichen Taschen in dem Zylinderring verbunden ist. Die Einfüllöffnung wird nach der Befüllung mit einer Keramikmasse verschlossen.

Werden zwei und mehr Zellen in Reihe geschaltet, indem man sie aufeinander stapelt, so wird die Anoden-Kammer der ersten Zelle mit einer Blind-Platte und die Zweite und jede Folgende mit einer Modul-Platte verschlossen.

Der Stromkollektor in der Anoden- und der Kathoden-Elektrode ist über einen elektrischen Leiter mit einem elektrischen Verbraucher verbunden. Hierfür ist eine Verbindung vorzusehen, durch welche ein dauerhaft niedriger Kontakt mit dem Stromkollektor herstellbar ist. Damit die eingebauten Klebestellen in der Zelle nicht über Gebühr beansprucht werden, ist die Kontaktherstellung ohne großen Anpressdruck zwischen Kontakt und Stromkollektor herzustellen. Des Weiteren ist eine Verbindung vorzusehen, durch welche die Zellen auf kürzestem Wege miteinander in Reihe geschaltet werden können.

Diese Aufgabe gelingt erfindungsgemäß nach Anspruch 9 mit Kontaktstiften, welche die Abdeckung der Anoden- und der mittleren Kathoden-Kammer durchgreifen.

Die Kontaktstifte werden in speziell vorgesehene Öffnungen in der Blind-Platte und der Modul-Platte eingeführt und mit einem Hochtemperatur-Kleber gasdicht verklebt. Die Länge der Kontaktstifte ist so bemessen, dass sie in die Anoden- und die Kathoden-Kammer hineinreichen und auf die Stromkollektoren einen Druck ausüben, durch welchen der Kontakt zwischen Kontaktstift und Stromkollektor zustande kommt.

Die Kontaktstifte bestehen vorzugsweise aus verchromtem Stahl und sind vorzugsweise an ihrer gegenüber den Stromkollektoren angebrachten Kontaktstelle mit Aluminium beschichtet. Der Kontakt wird dadurch nicht nur durch den Andruck, sondern gleichzeitig auch durch eine metallische Verklebung dauerhaft hergestellt. Die Verklebung kommt zustande, indem der Kontaktstift soweit erhitzt wird, dass die Aluminiumschicht in Schmelze geht. Die Verklebung hat den Vorteil, dass der Kontakt durch eine Korrosion der Oberfläche nicht nachteilig verändert wird und die Klebung Änderungen in der Ausdehnung ausgleicht. Somit sorgt sie dafür, dass der Kontakt schon bei niedrigem Anpressdruck vollflächig erfolgt und die eingebauten mechanischen Verbindungen vor einer übermäßigen Druckspannung bewahrt bleiben.

Dadurch, dass die Kontaktstifte in die Anoden- und die mittlere Kathoden-Kammer hineinreichen, wird eine direkte Verbindung zwischen der mittleren Kathoden-Elektrode der ersten Zelle mit der Anoden-Elektrode der zweiten Zelle und umgekehrt erreicht, während der Plus-Pol des Zellenstapels durch den Kontaktstift aus der Anoden-Kammer der ersten Zelle und der Minus-l1 des Zellenstapels durch den Kontaktstift aus der Kathoden-Kammer der zweiten Zelle für einen äußeren Verbraucher bereitgestellt wird.

Sowohl um die einzelne Zelle als auch um die zu einem Stapel gestapelten Zellen herum, werden erfindungsgemäß nach Anspruch 10 Räume an dieselbe und an dieselben angebaut, durch welche die Ein- und die Auslässe der Zelle und des Zellenstapels mit den Zu- und den Ableitungen verbunden werden.

Die Zellen sind vorzugsweise zylindrisch ausgeführt, so dass der Zellenstapel einen Zylinder bildet, welcher vorzugsweise mit einer Isolatorplatte beginnt und mit einer eben solchen endet. Die Ein- und die Auslässe der Anoden-, der mittleren Kathoden- und der äußeren Kathoden-Kammern treten am Zylinderumfang zueinander um jeweils 60° versetzt ein und aus. In axialer Richtung um den Zellenstapel herum werden die Ein- und die Auslässe der Zellen untereinander parallel geschaltet derart, dass sie für die Zellen gemeinsame Zu- und Ableitungen bilden.

Eine vorteilhafte Ausführung gelingt erfindungsgemäß nach Anspruch 11 dadurch, dass in axialer Richtung zwischen den Ein- und den Auslässen der Zellen Raumteiler am Umfang des Zellenstapels angebracht werden. Der Zellenstapel mit den Raumteilern steht auf einer Bodenplatte, die Zwischenräume zwischen den einzelnen Raumteilern sind durch Schalenkörper überbrückt und der Kopfraum ist mit der Deckplatte verschlossen, in welcher sich die Ein- und die Auslässe der gemeinsamen Leitungen befinden. Die Raumteiler, die Schalenkörper sowie die Boden- und die Deckplatte werden beispielsweise aus einem Guss aus Aluminiumoxid hergestellt. Vorteilhafterweise sind die einzelnen Komponenten zusätzlich in Fügetechnik miteinander verbunden und werden anschließend verklebt. Am äußeren Umfang der geschaffenen gemeinsamen Leitungen befinden sich in axialer Richtung am Ende der Raumteiler Fixierstangen, welche auf die Raumteiler und die Schalenkörper einwirken und die Schalenkörper auf den Raumteilern festhalten. Die Fixierung erfolgt durch einen Andruck, welcher dadurch gelingt, dass Spannbänder, beispielsweise aus Stahl, die Fixierstangen, welche vorzugsweise aus Aluminium oder Stahl bestehen, umfassen. Der hieraus entstandene Zylinder-Körper bildet einen betriebsbereiten Zellenblock.

In die gemeinsamen Zuleitungen werden vorzugsweise Diffusoren eingebaut. Diese besitzen eine Perforation, welche vorzugsweise in Richtung der Schalenkörperwand gerichtet ist und an welcher der Stoffstrom zu den Einlässen der Zellen hin reflektiert wird. Dies hat den Vorteil, dass auch bei höherer Strömungsgeschwindigkeit eine Vergleichmäßigung des Stoffstroms über den gesamten Zellenstapel erfolgt. Des Weiteren bewirkt die höhere Strömungsgeschwindigkeit eine effektivere Kühlung der Zellen, wodurch die Zellen mit einer höheren Eintrittstemperatur betrieben werden können.

Der Zellenblock gibt über die Fläche seiner Außenwand ständig Wärme an die Umgebung ab. Aufgrund des großen Temperaturgefälles zwischen dem Innen- und dem Außenraum wird, um unerwünschte Spannungen in der Außenwand zu vermeiden, der Zellenblock zusätzlich gegen unkontrollierte Zugluft geschützt und gekühlt.

Der Schutz vor Zugluft wird erfindungsgemäß nach Anspruch 12 dadurch gelöst, dass der Zellenblock in einem Metall-Zylinder mit einer Öffnung für die Zu- und die Abführung des Kühlmediums eingehaust wird. Der Metall-Zylinder schließt auf der einen Seite mit einer Bodenplatte und auf der anderen Seite mit einer Deckplatte ab. Im Metall-Zylinder sind zwei Führungsschienen eingezogen, auf welchen der Zellenblock mit seinen Fixierstangen aufsitzt. Damit die den Zellenblock umschließenden Spannbänder nicht die Auflage der Fixierstangen auf den Führungsschienen behindern und die Spannbänder an denselben hängen bleiben, sind in den Fixierstangen Spurrillen eingearbeitet, in welchen die Spannbänder von den Führungsschienen beabstandet ruhen.

Die äußere Kühlung des Zellenblocks erfolgt vorzugsweise durch vorbeiströmende Luft. Die Frischluftmenge wird beispielsweise so eingestellt, dass die Oberfläche des Zellenblocks noch mit der Hand berührt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Spannbänder keiner übermäßigen thermischen Belastung ausgesetzt sind und nicht übermäßig stark gespannt werden müssen, um die Wärmeausdehnung des Zellenblocks ausgleichen zu können.

Des Weiteren sind in der Deckplatte Öffnungen vorgesehen, durch welche die Zu- und Ableitungen für die unterhaltenden Gasströme zum Zellenblock hindurchgeführt werden.

Der Zusammenhalt von aufeinander zu einem Brennstoffzellenstapel geschichteten Brennstoffzellen erfolgt bis dato mit Hilfe von Zugstangen, welche über dem Umfang der Zelle verteilt, durch sie hindurch greifen und von außen beidseitig mit Zugkräften auf denselben einwirken. Die exakte Einstellung der Vorspannung mit Hilfe einer Sprungfeder und einer Mutter ist hierbei nicht ganz unproblematisch. Ins besondere deshalb, da beachtliche Kräfte durch die einzelne Zugstange herrschen und die Gewindegänge von Zugstange und Mutter entsprechend vorbehandelt werden müssen, damit die Reibwirkung bei allen Zugstangen annähernd gleich ist und somit eine gleichmäßige Kräfteverteilung auf den Zellenstapel erreicht wird. Die Zugstangen müssen nämlich soweit vorgespannt sein, dass sie auch im betriebswarmen Zustand noch mit ihrer Vorspannung den Zellenstapel ausreichend spannen können. Dazu müssen die unterschiedlichen Materialeigenschaften, wie beispielsweise der Längenausdehnungskoeffizient, die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität eines jeden verwendeten Bauteils berücksichtigt werden. Dies führt bei dem vorhandenen Mix an Materialien, wie er in Zellenstapeln nach SdT üblich ist, sehr schnell zu Instabilitäten, insbesondere während des Erhitzens und des Abkühlens des Zellenstapels sowie bei Lastwechseln, da die unterschiedlichen Materialien unterschiedlich schnell auf einen Temperaturwechsel reagieren. Durch die unterschiedlichen Trägheiten der beteiligten Materialien kommt es sowohl zu einzelnen lokalen als auch zu einer insgesamt über alle Verbindungen hinweg greifende Phasenverschiebung. Die Phasenverschiebungen äußern sich in mechanischen Spannungen und Verwerfungen sowohl an dem einzelnen Bauteil als auch am Zellenstapel insgesamt, welche auf Dauer durch die wechselnde Belastung zu Undichtigkeiten und Brüchen an den unterschiedlichsten Stellen führen und daher eine potenzielle Gefahr für die Lebensdauer des Zellenstapels darstellen. Die Zugstange stellt daher eine ganz und gar unbefriedigende Lösung dar, die es gilt zu verbessern.

Das Zusammenhalten des Zellenstapels wird daher erfindungsgemäß nach Anspruch 13 durch eine Konstruktion gelöst, in der die auf Zug ausgerichteten Zugstangen durch eine auf beidseitigen Druck ausgelegte Lösung ersetzt wird. Dies gelingt durch eine Tellerfeder, welche den Zellenblock in axialer Richtung gegen einen Anschlag drückt und somit den dazwischen geschalteten Zellenblock durch den durch die Tellerfeder erzeugten Anpressdruck zusammenhält. Dies hat den Vorteil, dass die Tellerfeder nicht mehr Teil des Zellenstapels ist und somit mit ihrer Materialeigenschaft nicht mehr in denselben eingreift. Gleichzeitig ist für den Druckausbau, wie er für die Kontaktherstellung zwischen der Anoden- und Kathoden-Elektrode einerseits und den Stromkollektoren andererseits notwendig ist, nur noch eine wesentlich geringere Federkraft erforderlich. Diese greift mit ihrem Tellerrand an die Stirnfläche des Zellenblocks an und sorgt somit dafür, dass die Kraftverteilung gleichmäßig verteilt in die Stirnfläche desselben eintritt. Gleichzeitig wirkt die Ausstülpung der Tellerfeder durch ihren punktuellen Kontakt einerseits und durch den Tellerrand andererseits derart, dass die unterschiedlich stark verlaufenden axialen Ausdehnungen des Zellenblocks durch die als Ausgleichsgelenk wirkende Ausstülpung kompensiert werden. Übrig bleiben im Zellenblock die Phasenverschiebungen, welche allein durch den Material-Mix der einzelnen Brennstoffzellen erzeugt werden.

Die Lebensdauer der Brennstoffzelle wird neben der Konstruktion derselben maßgeblich durch die Fahrweise beeinflusst. Aus diesem Grunde gibt es einen Bedarf, die Fahrweise der Brennstoffzelle zu optimieren.

Bekanntlich ist die Elektrolytmatrix, welche die Anode von der Kathode beabstandet, zwecks besserer Ionisierung an der Kathoden-Elektrode und der besseren Elektronenabgabe an der Anoden-Elektrode mit lithiiertem Elektrolyt getränkt. Das Lithium reagiert in Gegenwart von Wasserdampf und Wasserstoff jedoch im Laufe der Zeit. Der Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Anoden-Kammer leiden daher unter dem Verlust von Lithium. Die Reaktion zwischen Lithium und Wasserdampf läuft nach der Reaktionsgleichung 2Li + 2H₂O → 2LiOH + H₂ ab und wird zu Lithiumhydroxid und Wasserstoff. Da der Wasserstoff bei einer Temperatur zwischen 600°C und 700°C in der Anodenkammer vorliegt, kommt es noch zu einer zweiten Reaktion, welche zwischen dem Lithium und dem Wasserstoff nach der Reaktionsgleichung 2Li + H₂ → 2LiH abläuft und Lithiumhydrid bildet. Durch diese beiden Reaktionen verliert die Elektrolytmatrix auf der Anodenseite ständig Lithium, wodurch der Wirkungsgrad der Anoden-Elektrode allmählich nachlässt.

Erfindungsgemäß wird nach Anspruch 15 vorgeschlagen, in der Anoden-Kammer keinen Wasserstoff zu verstromen und solchen von ihr fernzuhalten, indem die Anoden-Kammer nur mit Kohlenmonoxid (CO) als Brenngas gespeist wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen den Einlass der Anoden-Kammer und der Brenngas-Quelle eine Vorrichtung geschaltet wird, welche den Wasserstoff in dem enthaltenden Brenngas zurückhält. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise eine Gastrenn-Anlage, wie beispielsweise eine PSA-Anlage, eine Membran- oder eine Kryogen-Anlage sein, in welcher der Wasserstoff selektiv abgetrennt wird. Mit einer solchen Trennanlage kann das in einem Synthesegaserzeuger erzeugte Synthesegas, wie beispielsweise aus einem Dampf-Reformer oder einem Kohlevergaser, sowohl auf die Brennstoffzelle als auch für einen weiteren Prozess, in welchem Wasserstoff verbraucht wird, wie beispielsweise eine PEM-Brennstoffzelle, verteilt werden. Auch ist es möglich, Wasserstoff-Netze damit zu unterhalten, welche aus unterschiedlichen Einspeisepunkten mit Wasserstoff versorgt werden. Hierdurch erfährt beispielsweise die Kohle, welche die größte Energiereserve auf der Erde darstellt und auf allen Kontinenten verfügbar ist, für die Energieerzeugung eine noch nachhaltigere Bedeutung derart, dass sie mit wieder erstarkter Bedeutung in den Energiemarkt eintritt und aus ihr in Vergasungs-Prozessen ein Mischgas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff durch Reformierung hervorgeht. Während das Kohlenmonoxid in der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle verstromt wird, wird der Wasserstoffwirtschaft der erforderliche Wasserstoff in ausreichender Menge zur Verfügung gestellt, durch welche beispielsweise Kraftfahrzeuge umweltfreundlich betrieben werden können.

Wird die Anode in Abwesenheit von Wasserstoff nur mit Kohlenmonoxid als Brenngas gespeist, so ergibt sich noch ein weiterer lebensverlängernder Vorteil derart, dass in der Anoden-Kammer die ansonsten ablaufende chemische Reaktion K₂CO₃ + H₂O ↔ 2KOH + CO₂ welche den Elektrolyten zersetzt, durch das Fehlen von Wasser nicht stattfindet. In diesem Falle wird die Anode keinem feuchten Gas mehr ausgesetzt, durch welches das KOH, das bei 650°C schon eine merkliche Flüchtigkeit aufweist, nicht mehr aus der Anoden-Kammer ausgetragen wird.

Neben der Anoden-Kammer unterliegt auch die mittlere Kathoden-Kammer einer lebensverkürzenden Belastung. An das Kathoden-Material wird daher die Anforderung gestellt, dass es ausreichend elektrisch leitfähig, mechanisch stabil und chemisch inert gegenüber dem Elektrolyten ist. Lithiiertes Nickeloxid hat die geforderten Eigenschaften, mit Ausnahme der chemischen Stabilität. Es ist dem Fachmann bekannt, dass sich die Nickeloxid-Kathoden unter dem Einfluss von Kohlendioxid allmählich auflösen, wodurch es in der Elektrolytmatrix zu einer Anhäufung von Ni-Ionen kommt, welche ihrerseits die Diffusion und die Auflösung weiter begünstigen. Die Ni-Ionen diffundieren in Richtung Anode, wo sie durch das negative elektrochemische Potenzial, das durch den gelösten Wasserstoff gebildet wird, zu elementarem Nickel reduziert werden. Die sich bildenden Nickelkörner können elektrisch leitfähige Brücken herstellen, durch welche es innerhalb der Elektrolytmatrix zu Kurzschlüssen kommen kann. Bei hohem Partialdruck von Kohlendioxid wird der Effekt noch verstärkt, da die Auflösung des Nickeloxids nach folgendem Mechanismus abläuft: NiO + CO₂ ↔ Ni²⁺ + CO₃ ^2– .

Es besteht daher ein Bedarf nach einer Lösung, welche den beschriebenen Mechanismus aufhält und durchbricht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch 16 dadurch gelöst, dass die mittlere Kathoden-Kammer unter der Abwesenheit von Kohlendioxid nur mit einem Sauerstoff enthaltendem Gas gespeist wird.

Das durch die Kathoden-Kammer herkömmlicher Brennstoffzellen geführte Anodenabgas, welches bei der Anwesenheit von Wasserstoff (H₂) in der Anoden-Kammer zuvor zu Wasserdampf oxidiert wurde, führt in einer derartigen Kathoden-Kammer in gleicher Weise wie in der Anoden-Kammer zu einem Verlust von Lithium und Elektrolyt. Dieser Verlust entsteht bei der neuen Brennstoffzelle nicht mehr, da vorzugsweise das Anoden-Abgas von der mittleren Kathoden-Kammer ferngehalten und stattdessen der äußeren Kathoden-Kammer zugeführt wird. Es kommt daher in der mittleren Kathoden-Kammer zu keinem nennenswerten Verlust an Elektrolyt und Lithium. Gleichzeitig entsteht durch das Fehlen von Wasser an der Kathoden- Elektrode keine korrodierende Reaktion mit dem Elektrolyten und dem Lithium, welche im Gegensatz zu Kohlendioxid nicht sauer sondern basisch abläuft.

Es verbleibt lediglich noch die Feuchte in der Luft, durch welche die mittlere Kathoden-Kammer einer basischen Reaktion ausgesetzt wird. Um eine derartige Reaktion auszuschließen wird erfindungsgemäß nach Anspruch 17 vorgeschlagen, bei zu hoher Luftfeuchte den Luftsauerstoff vor dem Eintritt in die mittlere Kathoden-Kammer zu trocknen und somit den Reaktionspartner H₂O für das Lithium und das K₂CO₃ zu entziehen. Dies geschieht beispielsweise durch einen Trockner, vorzugsweise einem Absorptions- oder Adsorptionstrockner, welcher sich zwischen der Atmosphäre und dem Einlass der mittleren Kathoden-Kammer befindet.

Die mittlere Kathoden-Kammer wird daher bevorzugt mit Sauerstoff enthaltendem Gas gespeist. Gleichzeitig besteht in der Anoden- und der äußeren Kathoden-Kammer noch immer das Problem der Kühlung. Die Kühlung der Anoden-Kammer erfolg bereits zu einem Teil zuverlässig und lässt sich in begrenztem Umfang auch in allen Betriebszuständen aufrechterhalten, indem der austretende Brenngasschlupf und das Kohlendioxid als Kühlmittel verwendet werden. Anders hingegen bei der äußeren Kathoden-Kammer. Hier setzt die Kühlung aus, sobald das Kohlendioxid enthaltende Gas keine Fremdgase mehr besitzt und das Kohlendioxid komplett durch den Elektrolyten absorbiert wird. Für die Lösung dieser Aufgabe gibt es daher den Bedarf nach einer wirksamen Kühlvorrichtung, durch welche sowohl der Anoden- als auch der äußeren Kathoden-Kammer die überschüssige Wärme entzogen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch 18 gelöst, indem die mittlere Kathoden-Kammer mit einem Kreislaufgas gekühlt wird, welches die in der mittleren Kathoden-Kammer aufgenommene Wärme an einem äußeren Wärme tauscher ablädt. Die Umsetzung der Lösung gelingt mit einer Sauerstoff-Anreicherungs-Anlage, welche das Kreislaufgas mit Luftsauerstoff speist, welcher mit seiner Sauerstoffkonzentration über der des Kreislaufgases liegt. Dies kann mit einer Sauerstoffgewinnungsanlage, beispielsweise einer PSA- oder einer Membran-Anlage erfolgen. Mit einer derartigen Vorrichtung kann der aufgezehrte Sauerstoff in der mittleren Kathode kontinuierlich nachgeführt werden, ohne dass am Austritt übermäßig viel Abluft entsteht, welche von Sauerstoff abgereichert in die Atmosphäre entlassen wird. Durch die Nachführung von sauerstoffreicher Luft, deren Sauerstoffkonzentration höher ist als die für die Kühlung im Kreislauf geführte Luft, wird die Sauerstoffkonzentration im Kreislaufgas konstant gehalten. Dies hat den Vorteil, dass das Kreislaufgas wesentlich öfter durch die Kathoden-Kammer geleitet und die Abwärme durch den höheren Luftmengenumsatz schneller aufgenommen und abgeführt werden kann. Die so abgeführte Wärme aus der Kathoden-Kammer wird an einem den Ein- und den Ausgang der Kathoden-Kammer kurzschließenden Wärmetauscher abgereichert. Mit einem in Reihe mit dem Wärmetauscher geschalteten Gebläse wird hierzu die Strömungsgeschwindigkeit so eingestellt, dass sich die Werte der Eintrittstemperatur und die der Austrittstemperatur derart annähern, dass die durch Temperaturunterschied sich einstellende Materialspannung in der mittleren Kathoden-Kammer auf ein Minimum sinkt. Die Angleichung der beiden Temperaturwerte hat darüber hinaus den Vorteil, dass die mittlere Kathoden-Kammer mit einer höheren Eintrittstemperatur betrieben werden kann. Mit dem im Kreislauf mit der mittleren Kathoden-Kammer betriebenen Wärmetauscher steht somit eine Wärmequelle mit hohem Temperaturgefälle zur Verfügung, während über eine Ableitung die von Sauerstoff abgereicherte Luft aus dem Kreislaufgas ausgekoppelt wird. Die Enthalpie in der Abluft reicht aufgrund des hohen Temperaturgefälles jedoch noch aus, um einen weiteren Wärmetauscher mit Wärme zu speisen, so dass eine nahezu vollständige Nutzung der Abwärme aus der mittleren Kathoden-Kammer erreicht wird. Außerdem kann die in der Brennstoffzelle erzeugte Abwärme schwerpunktmäßig, vorzugsweise zwischen 30% und 70%, mit dem Kreislaufgas derart konzentriert am Wärmetauscher abgeladen werden, dass sich hierdurch die Strömungsgeschwindigkeiten in der angrenzenden Anoden-Kammer und der äußeren Kathoden-Kammer in einem größeren Bereich variieren lassen. Die Kreislaufführung des Luftsauerstoffs hat schließlich für den elektrischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle den Vorteil, dass es innerhalb der mittleren Kathoden-Kammer durch den permanenten Sauerstoffüberschuss zu einer vergleichmäßigten Sauerstoffkonzentration auf hohem Niveau kommt. Durch die Abwesenheit von Kohlendioxid ergibt sich noch ein weiterer Vorteil derart, dass die Bildung von Peroxid an der Kathoden-Elektrode nach der Reaktion O₂ ^2– + 2e → 2O^2– begünstigter abläuft, was eine Verminderung der elektrochemischen Polarisationsverluste und somit eine Wirkungsgradverbesserung bewirkt. Das O^2– Ion reagiert dabei mit dem in Schmelze befindlichen CO₂ nach der Reaktion O^2– + CO₂ → CO₃ ^2– .

Der Elektrolyt der äußeren Kathoden-Kammer kommt im Gegensatz zur Anoden- und der mittleren Kathoden-Kammer ohne die Zugabe von Lithium aus, da er an der Auf- und der Abgabe von Elektronen nicht beteiligt ist. Es entsteht im Gegensatz zur Elektrolytmatrix zwischen der Anoden- und der mittleren Kathoden-Kammer in dem Elektrolytraum der äußeren Kathoden-Kammer lediglich ein Verlust an Elektrolyt durch die vorhandene Feuchte im Kathodengas, welcher auszugleichen ist. Dies geschieht in schon beschriebener Weise durch die Verbindung mit einem Depot.

Durch die Drei-Kammer-Technik ist die Brennstoffzelle besonders bevorzugt geeignet für die Sequestrierung von Kohlendioxid aus Kohlendioxid enthaltenden Gasmischungen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung gelingt, wenn die Brennstoffzelle unter der Abwesenheit von Wasserstoff als Brenngas betrieben wird. In diesem Falle entsteht am Ausgang der Anoden-Kammer nach der Verstromung des Brenngases kein Wasserdampf. Wird dem Abgas anschließend das Kohlendioxid entzogen, so kann das darin enthaltene und nicht verstromte Brenngas zum Einlass der Anoden-Kammer vollständig zurückgeführt werden, ohne dass es in der Anoden-Kammer zu einer Kumulierung durch Fremdgase kommt. Dies gelingt erfindungsgemäß nach Anspruch 19 dadurch, dass das Spaltgas aus dem ionischen Strom und das Kohlendioxid aus der kalten Verbrennung sowie das nicht zu Kohlendioxid umgesetzte Brenngas in einem Druckerhöhungsprozess eine Druckbeladung erfährt derart, dass der erreichte Wert der Druckbeladung über dem kritischen Druck des Kohlendioxids liegt. Daran anschließend wird dem druckbeladenen Gas in einem Kühlprozess die Enthalpie in dem Umfang entzogen, dass die im Kohlendioxid noch verbleibende Enthalpie die kritische Temperatur unterschreitet und das Kohlendioxid seinen Aggregatzustand von gasförmig nach flüssig wechselt. Hierzu ist der Auslass des Kühlprozesses mit dem Einlass eines Druckspeicher verbunden, in welchem sich eine Flüssigkeitssäule aus Kohlendioxid ausbaut, über welcher sich das nicht verflüssigte Brenngas befindet und welches über den Kopfraum des Druckspeichers abgezogen und der Anoden-Kammer als Brenngas erneut zugeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass aus dem Druckspeicher heraus mit einem Brenngas-Überschuss gearbeitet und die Anoden-Kammer damit zusätzlich gekühlt werden kann. Gleichzeitig wird der äußeren Kathoden-Kammer ein Kohlendioxid enthaltendes Gas und der mittleren Kathoden-Kammer ein Sauerstoff enthaltendes Gas zugeführt, durch welche der ionische Strom zwischen der Kathode und der Anode unterhalten wird. Die gefundene Lösung hat den Vorteil, dass mit dem Verfahren fünf Aufgaben innerhalb eines Kreislaufes in einem gelingen, die sind a) Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Kohlendioxid enthaltenden Gas, b) die Verflüssigung des abgetrennten Kohlendioxids, c) die vollständige Verstromung des Brenngases, d) die Kühlung der Anoden-Kammer und e) die Gewinnung von Wasserstoff, wobei weder für die Abtrennung extra Energie aufzuwenden ist noch durch den Sequestrier-Prozess weiteres Kohlendioxid entsteht.

Über den Bodenraum des Druckspeichers lässt sich zeitgleich kontinuierlich das flüssige Kohlendioxid abziehen und über eine Pipeline, beispielsweise zu einer Lagerstätte oder einem Kohlendioxid unterhaltenden Betrieb, abtransportieren. Bei den Lagerstätten kann es sich beispielsweise um Erdölfelder, Kohleflöze, Kavernen und Aquiferen handeln. Mit dem Eintrag des Kohlendioxids in Erdöllagerstätten lässt sich beispielsweise die Fördermenge an Öl steigern. Wird es in Kohleflöze eingepresst, so lässt sich das an der Kohle angelagerte Methan exploitieren, während das Kohleflöz das Kohlendioxid durch Adsorption an sich bindet. Des Weiteren lassen sich mit dem Kohlendioxid chemische Prozesse, wie beispielsweise der Methanol-Prozess, in ihrem Ertrag steigern. Beispielsweise können die überschüssigen Mengen an Kohlendioxid auch in ausgebeuteten Salzbergstöcken und Erdgasfelder endgelagert und die Atmosphäre durch die entstandenen Fehlmengen im Abgas entlastet werden.

Des Weiteren hat die Verstromung des Kohlenmonoxids unter der Abwesenheit von Wasserstoff den Vorteil, dass das die Anoden-Kammer verlassende Kohlendioxid trocken und nicht feucht ist. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das Kohlendioxid anschließend durch eine Pipeline zu transportieren ist. Um eine Korrosion der Pipeline zu verhindern, muss dem Kohlendioxid nämlich zuvor die Feuchte weitestgehend entzogen werden. Die Trocknung von Gasen erfolgt üblicherweise durch Adsorption in einem Adsorptionstrockner, indem das Adsorbens die Feuchte adsorbiert. Eine derartige Trocknung scheitert jedoch bei der Anwesenheit von Was serstoff als Brenngas daran, dass die anfallende Wassermasse durch die Verbrennung des Wasserstoffs durch eine Adsorptionstrocknung alleine nicht zu bewältigen ist.

Durch das aus der Kohlendioxid enthaltenden Gasmischung abgetrennte Kohlendioxid und dem freigestellten Wasserstoff entsteht eine Emissionsgutschrift für den Betreiber, wenn er das abgetrennte Kohlendioxid nicht wieder in die Atmosphäre entlässt. Derartige Emissionsgutschriften stellen im Wirtschaftsleben nach den „Nationalen Allokationsplänen" ein geldwertes Wirtschaftsgut dar. Nach deren Regeln ist festgelegt, nach welchem Schlüssel welche Anlage wie viele Emissionsrechte bekommt. Werden die zugeteilten Werte überschritten, so muss der Betreiber sich zusätzliche Verschmutzungsrechte kaufen. Wer hingegen die Emission an Kohlendioxid abbaut und dadurch Fehlmengen im Abgas erzeugt, indem er das Kohlendioxid sequestriert und der Atmosphäre auf Dauer vorenthält, kann die ihm zugeteilten Verschmutzungsrechte verkaufen. Es besteht daher der Bedarf nach einem Verfahren, mit welchem man derartige Rechte erlangen kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Anspruch 20 derart gelöst, dass die Verbindung zwischen Atmosphäre und der mit der Atmosphäre verbundenen Kohlendioxid enthaltenden Quelle unterbrochen und die Enden der Unterbrechung mit einem Kohlendioxid-Abtrennungs-Prozess, beispielsweise in der Ausführung mit einer Brennstoffzelle verbunden werden und der Sequestrierungs-Prozess das für die Atmosphäre bestimmte Kohlendioxid aus einer Kohlendioxid enthaltenden Gasmischung entzieht und das entzogene Kohlendioxid in einen anderen Stoff umwandelt oder einem aufnehmenden Ort auf Dauer zuführt.

Die Abtrennung gelingt erfindungsgemäß nach Anspruch 21 mit einer Brennstoffzelle derart, dass die Kohlendioxid enthaltende Quelle mit dem Einlass der äußeren Kathoden-Kammer und die Atmosphäre mit dem Auslass derselben; der Einlass der Anoden-Kammer mit einer Brenngas-Quelle und der Auslass derselben mit einer Ableitung für das Kohlendioxid aus der Abtrennung; der Einlass der mittleren Kathoden-Kammer mit einer Sauerstoff enthaltenden Quelle und der Auslass derselben mit der Atmosphäre verbunden wird.

Die Kohlendioxid enthaltende Gasmischung wird vor dem Austritt in die Atmosphäre der äußeren Kathoden-Kammer der Brennstoffzelle über deren Einlass zugeführt, in welcher es von Kohlendioxid abgereichert wird. Die von Kohlendioxid abgereicherte Gasmischung verlässt die äußere Kathoden-Kammer über deren Auslass und gelangt über eine Verbindung, beispielsweise den Kamin, in die Atmosphäre. Gleichzeitig wird die mittlere Kathoden-Kammer über deren Einlass aus einer Sauerstoff enthaltenden Quelle mit Sauerstoff gespeist. Zusammen generieren beide Kathoden-Kammern im Elektrolyten der Brennstoffzelle einen Carbonat-Ionenstrom, welcher von der Kathode zur Anode fließt und in der Anoden-Kammer entladen wird. Hierzu wird die Anoden-Kammer über deren Einlass mit Brenngas gespeist, welches in der Anoden-Kammer durch die Entladung der Carbonat-Ionen verstromt wird. Die Anoden-Kammer verlässt daraufhin über deren Auslass eine Gasmischung aus Kohlendioxid und Teilen unverbrauchtem Brenngas. Während das Kohlendioxid vom Auslass der Anoden-Kammer zu einer Transportvorrichtung und über eine Verbindung zu einem Kohlendioxid aufnehmenden Ort gelangt, wird das unverbrauchte Brenngas dem Einlass der Anoden-Kammer erneut zugeführt.

Die Kohlendioxid enthaltende Gasmischung in der äußeren Kathoden-Kammer der Brennstoffzelle von Kohlendioxid abzureichern hat den Vorteil, dass in der Gasmischung beliebig hohe Feuchte enthalten sein darf, welche beispielsweise aus einer Entschwefelungs-Anlage resultiert, ohne dass es zu einer Beeinträchtigung kommt. Außerdem sind in der die äußere Kathoden-Kammer durchströmenden Gasmischung Restmengen an Schwefel tolerierbar, da die Gas berührenden Teile in der äußeren Kathoden-Kammer bevorzug aus Keramik bestehen. Und schließlich hat die Lösung den Vorteil, dass mit Ausnahme der CO₂-Verflüssigung und dem Transport desselben, der Prozess durch das Kohlendioxid selbst angetrieben wird, wodurch weder erneutes CO₂ entsteht noch für den Abtrenn-Prozess Energie notwendig ist.

Mit dem Kohlendioxid aus dem Abtrennungs-Prozess lassen sich weitere Prozesse, wie beispielsweise solche mit chemoautotrophen Bakterien oder Algen betreiben, indem diese in Verbindung mit Schwefelwasserstoff (H₂S) über eine Verbindung mit Kohlendioxid gespeist werden. Derartige Bakterien haben den Vorteil, dass sie im Wasser bei ca. 100°C und einem Druck von vorzugsweise 200 bis 250 bar ohne Licht das Kohlendioxid verstoffwechseln können, so dass tageszeitunabhängig ein kontinuierlicher Prozess in Druckreaktoren durchführbar ist. Derartige Lebewesen finden sich in unmittelbarer Nähe von hydrothermalen Schloten am Meeresgrund von ca. 2.500m Tiefe.

Günter Wächtershäuser berichtet im Science [289(5483): 1307] unter dem Titel „Origin of life: Life as We Don't Know It" über den Stoffwechsel dieser Lebewesen. Überträgt man den vorgefundenen Lebensraum auf einen Bioreaktor, so wird das Kohlendioxid in Proteine, Eiweiß, etc. umgewandelt, welches man dem Stoffwechselkreislauf zuführt. Da sehr viele Prozesse in der Petro- und der chemischen Industrie mit einem Überschuss an Wärme betrieben werden, wird erfindungsgemäß nach Anspruch 22 vorgeschlagen, den Wärmeprozess zusammen mit einer H₂S- und einer CO₂- Quelle, beispielsweise in einem Kraftwerk, einer Raffinerie, einer Methanol-Anlage, einem Zement-Werk, etc. mit einem derartigen Reaktor zu verbinden.

Anhand der beiliegenden 1 wird die vorliegende Erfindung näher erläutert. Die 2 zeigt einen Kondensator in einer Brennstoffzelle nach SdT. Im Vergleich dazu wird in 3 ein neuer Halb-Kondensator beschrieben. Die 4 bis 9 zeigen schematisch in Einzelschritten den Zusammenbau der einzelnen Bauteile einer Zelle bis zum betriebsbereiten Zellenblock. Die 10 zeigt die Brennstoffzelle in Verbindung mit einem Kohlekraftwerk als Sequestrier-Anlage, in welcher sie das Kohlendioxid aus dem Rauchgas entzieht und in einer Verflüssigungs-Anlage verflüssigt. Die Abwärme aus dem Brennstoffzellen-Prozess wird hierzu durch eine Kühlvorrichtung abgeführt, wie sie in der 11 dargestellt ist und bei welcher der im Kreislauf geführte Luftsauerstoff als Kühlmedium dient. Die 12 zeigt schließlich die Brennstoffzelle in Verbindung mit einer Erdgasförderstätte, auf der das Erdgas durch die Brennstoffzelle gereinigt wird, indem dem Erdgas durch den Brennstoffzellen-Prozess das Kohlendioxid entzogen wird, welches in einer Verflüssigungs-Anlage verflüssigt und in einer Aquifere endgelagert wird, während das gereinigte Erdgas über eine Pipeline zum Verbraucher gelangt. Die Beschichtung der Elektrolytmatrix mit einer elektrisch leitenden Anoden-Elektrode wird in den 13 und 14 dargestellt.
1 zeigt die Brennstoffzelle, die im Innern aus der Anoden-Kammer, zweier Kathoden-Kammern, zweier Elektrolytmatrizen sowie dem Elektrolytkanal besteht, welcher die beiden Elektrolytmatrizen miteinander verbindet.
Der Einlass der Anoden-Kammer (9) wird über eine Leitung mit Brenngas (H₂ und/oder CO) gespeist, welches in der Anodenkammer (1) durch den Sauerstoff aus dem CO₃ ^2–-Ionenstrom aus der Elektrolytmatrix (3) in einer kalten Verbrennung zu H₂O und CO₂ oxidiert wird. Die aus der Oxidation resultierenden Komponenten verlassen daraufhin, zusammen mit dem Spaltgas CO₂ aus dem CO₃ ^2–-Ionenstrom über den Auslass (12) die Anoden-Kammer (1).
Der Einlass der Kathoden-Kammer (10) wird über eine Leitung mit Sauerstoff aus der Luft gespeist. In der Kathoden-Kammer (5) wird der Sauerstoff an der Kathoden-Elektrode (4) durch die gleichzeitige Zuführung von Elektronen über die Verbindung (16) ionisiert. Der ionische Sauerstoff (2O^2–) dringt in den Elektrolyten der Elektrolytmatrix (3) ein und bildet mit dem in der Schmelze gelösten Kohlendioxid Carbonat-Ionen. Die von Sauerstoff abgereicherte Luft verlässt daraufhin über den Auslass (13) die Kathoden-Kammer (5).
Der Einlass der Kathoden-Kammer (11) wird über eine Leitung mit einem mit Kohlendioxid angereichertem Gas gespeist. Das im Gas enthaltene Kohlendioxid wird in der Kathoden-Kammer (7) von dem Elektrolyten der Elektrolytmatrix (6) absorbiert. Das absorbierte Kohlendioxid geht im Elektrolyten der Elektrolytmatrix (6) in Lösung und fließt als Carbonat über den mit Elektrolyt (8) gefüllten Elektrolytkanal (8a) in Richtung Kathoden-Elektrode (4) und Elektrolytmatrix (3), während das von Kohlendioxid abgereicherte Gas die Kathoden-Kammer (7) über den Auslass (14) verlässt.
Die Anoden-Elektrode (2) ist in der Anoden-Kammer (1) über eine elektrische Verbindung (2b) mit dem Stromkollektor (2a) verbunden, an welchem eine elektrische Verbindung (15) angeschlossen ist. Diese Verbindung (15) ist mit ihrem anderen Ende mit dem Eingang eines elektrischen Verbrauchers (17) verbunden. Über diese Verbindung werden die an der Anoden-Elektrode (2) abgestreiften Elektronen (18) des Elektronen abführenden Mediums Wasserstoff (H₂) und/oder Kohlenmonoxid (CO) in den elektrischen Verbraucher (17) eingespeist, in welchem sie Arbeit verrichten.
Die Kathoden-Elektrode (4) ist in der Kathoden-Kammer (5) über eine elektrische Verbindung (4b) mit dem Stromkollektor (4a) verbunden, an welchem eine elektrische Verbindung (16) angeschlossen ist. Diese elektrische Verbindung (16) ist mit ihrem anderen Ende mit dem Ausgang eines elektrischen Verbrauchers (17) verbunden. Über diese elektrische Verbindung werden die im elektrischen Verbraucher abgereicherten Elektronen (19) in die Kathoden-Elektrode (4) eingespeist, durch welche der Ionisierungsprozess an der Kathoden-Elektrode (4) angetrieben wird. Die Bildung des einzelnen CO₃ ^2–-Ions im Elektrolyten der Elektrolytmatrix (3) erfolgt sodann durch die Speisung von jeweils einem halben O₂-Molekül durch die Kathoden-Elektrode (4) und einem ganzen CO₂-Molekül durch den Elektrolyten (8) im Elektrolytkanal (8a) sowie von zwei zugeführten Elektronen aus der elektrischen Verbindung (16).
Die an der Grenzfläche von Kathoden-Kammer (5), Kathoden-Elektrode (4) und Elektrolytmatrix (3) durch den Ionisierungsprozess erzeugten Carbonat-Ionen (CO₃ ^2–) fließen von der Grenzfläche von Kathoden-Elektrode (4) und Elektrolytmatrix (3) in Richtung Anoden-Elektrode (2) und werden an derselben entladen, indem das einzelne CO₃ ^2–-Ion in ein halbes O₂ – und ein CO₂-Molekül aufgespaltet werden.
Die 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Kondensators, wie er nach SdT in Brennstoffzellen verwandt wird. Die beiden Kondensatorplatten (20) und (22) sind als Metallschwamm ausgeführt und bilden für den Brennstoffzellen-Prozess die Anode (20) und Kathode (22). Beide sind durch das mit Elektrolyt gefüllte Elektrolytgehäuse (21) voneinander beabstandet. Das elektrische Feld (E), welches zwischen den beiden Kondensatorplatten herrscht und den Elektrolyten durchdringt, wird durch den als Dielektrikum wirkenden Elektrolyten (21) nur an der Grenzfläche zwischen Kondensatorplatte und Elektrolyt geschwächt. Die Kapazität, welche die Anoden- und die Kathoden-Elektrode als Metallschwamm in der Lage ist zu liefern, kann daher weder auf der einen noch der anderen Seite genutzt werden, da eine den Metallschwamm umfassende, die Ladung verstärkende Schicht – nämlich das Dielektrikum in Form des Elektrolyten – um die Oberfläche herum fehlt. Die Carbonationen (CO₃ ^2–) im Elektrolyten (21) werden daher durch das Fehlen von weiteren Polarisationsladungen und durch das dadurch minder geschwächte elektrische Feld (E) in ihrem Fluss von der Kathode (22) zur Anode (20) in ihrer Bewegung gehemmt. Über die Verbindungen (20a) und (22a) kann daher bei gleicher Spannung zwischen den beiden Kondensatorplatten (20) und (22) nur ein verminderter Strom im Kreis fließen.
Die Weiterentwicklung des Kondensators ist in 3 dargestellt, welcher anstelle aus drei Teilen nur noch aus zwei Teilen modular aufgebaut ist und einerseits aus einem ionisch leitenden Halb-Kondensator mit einer Kathoden-Elektrode, einer Elektrolytmatrix, einer Kathoden-Kondensatorplatte und einer ionisch durchlässigen Anoden-Elektrode sowie andererseits aus einer separaten Anoden-Kondensatorplatte besteht, welche mit der Anoden-Elektrode durch Andruck verbunden ist.
Die 3 zeigt schematisch den Kondensator in seinem Aufbau. Dieser besteht anodenseitig aus der elektrischen Verbindung (2c) für die Anoden-Kondensatorplatte (2e) und der ionisch durchlässigen Anoden-Elektrode (2). Auf der Kathodenseite befindet sich die Kathoden-Kondensatorplatte (4g) mit der Kathoden-Elektrode (4), welche mit der elektrischen Verbindung (4c) verbunden ist. Beabstandet sind beide Kondensatorplatten durch die Elektrolytmatrix (3) und die Anoden-Elektrode (2). Die Elektrolytmatrix (3) und der Kathoden-Kondensator (4g) sind von dem gemeinsamen Elektrolyten (3c) durchdrungen und reichen bis an den Einlass (2d) der Anoden-Elektrode (2) heran, mit welchem sie sich verbinden und damit eine Verbindung mit der Kathoden-Elektrode (4) herstellen.
Die Anoden-Elektrode (2) ist als dichte Metallschicht ausgebildet und mit der Elektrolytmatrix (3) fest verbunden. Diese ist an den Stellen, an welchen sich Elektrolyträume (3d) der Elektrolytmatrix (3) befinden, mit Durchlässen (2d) versehen, durch welche die Spaltgase Kohlendioxid und Sauerstoff nach der elektrischen Entladung der Carbonat-Ionen (CO₃ ^2–) aus dem Elektrolyten (3c) austreten. Das elektrische Feld (E) herrscht zwischen den beiden Kondensatorplatten (2e) für den Plus-Pol und (4g) für den Minus-Pol. Dieses liegt vor, sobald die poröse Anoden-Kondensatorplatte (2e) mit der Anoden-Elektrode (2) verbunden ist. Der Elektrolyt (3c) durchdringt den Metallschwamm der Kathoden-Kondensatorplatte (4g) vollständig und dringt auf der Anodenseite bis in die Einlässe (2d) der Anoden-Elektrode (2) vor, wodurch eine ionische Verbindung zwischen den Elektroden (2), (4) entsteht. Der Elektrolyt wirkt in der Kathoden-Kondensatorplatte (4g) als Dielektrikum ladungsverstärkend, wodurch bei der Kathoden-Kondensatorplatte eine Verkleinerung der Bauform eintritt.
Die 4 zeigt schematisch den Halb-Kondensator als Explosionszeichnung. Im Einzelnen zeigt die 4 die Anoden-Elektrode (2), die Elektrolytmatrix (3) und die Kathoden-Kondensatorplatte (4g).
Die Oberfläche der Anoden-Elektrode (2) ist durch die Lupe (23) vergrößert dargestellt und zeigt dieselbe mit den Einlässen (2d), wobei der Elektrolyt (3c), wie die Lupe (24) zeigt, sich am Einlass (2d) mit der Anoden-Elektrode (2) verbindet.
Der Aufbau der Elektrolytmatrix (3) ist schematisch durch die Lupe (25) dargestellt. Das einzelne Keramikkorn (3a) ist über die Verbindung (3b) mit einem benachbarten Keramikkorn verbunden, während der Elektrolyt (3c) die Elektrolyträume (3d) der Elektrolytmatrix (3) durchdringt. Der Lupenausschnitt (25) ist durch die Lupe (26) nochmals vergrößert dargestellt, durch welche schematisch der Elektrolyt (3c) darge stellt ist, wie er zwischen zwei Keramikkörnern (3a) hindurch greift.
Die Kathoden-Elektrode (4) ist durch die Lupe (27) vergrößert dargestellt und zeigt schematisch die poröse Struktur der Elektrode. Das einzelne Metallkorn (4d) ist über die Verbindung (4e) mit einem benachbarten Metallkorn verbunden und der Elektrolytraum (4f) ist mit Elektrolyt (3c) aufgefüllt. Der Elektrolyt (3c) füllt die Elektrolyträume (3d) und (4f) und verklebt die Elektrolytmatrix (3) mit der Kathoden-Kondensatorplatte (4g). Die der Klebestelle gegenüber liegende Seite der Kathoden-Kondensatorplatte (4g) dient als Kathoden-Elektrode (4).
Die 5 zeigt schematisch den Aufbau einer gegenüber einem Metallschwamm weiterentwickelten Anoden- und Kathoden-Kammer als Explosionszeichnung. Im Einzelnen zeigt die 5 den Stromkollektor (2a) mit der elektrischen Verbindung (2b) zur Anoden-Elektrode (2), welche aus dem Profilkörper (31) und dem gasdurchlässigen Blech (2f) und der Anoden-Kondensatorplatte (2e) als porösen Schwamm besteht. Des Weiteren zeigt sie den Stromkollektor (4a) mit der elektrischen Verbindung (4b) zur Kathoden-Elektrode, welche aus dem Profilkörper (32) und dem gasdurchlässigen Blech (4h) besteht. Zwischen beiden befindet sich der aus den Schichten Anoden-Elektrode (2), poröse Elektrolytmatrix (3) und Kathoden-Elektrode (4) bestehende Halb-Kondensator (30). Auf die Stromkollektoren (2a) und (4a) wirkt die Andruckkraft F1 und F2 in der bezeichneten Richtung. Die Stromkollektoren (2a) und (4a) legen sich über die Verbindungen (2b) und (4b) an die Elektroden (2) und (4) des Halb-Kondensators (30) an.
Mit der Lupe (35) ist der als Dreieck ausgebildete Profilkörper (32) mit dem angrenzenden gasdurchlässigen Blech (4h) und dem Stromkollektor (4a) vergrößert dargestellt. Dieser steht mit seiner Spitze auf dem Blech (4h) mit seinen Durchgängen (34). Der als Dreieck gleichschenkelig ausgebildete Profilkörper (32) ist mit Schweißnähten (32e) auf dem Blech (4h) fest verbunden. Der parallel zum Blech (4h) gedanklich liegende Dreieckschenkel, welcher gestrichelt dargestellt ist, ist ebenfalls gedanklich mittig durch die eingezeichnete Trennlinie (33c) in die Schenkelhälften (32a) und (32b) geteilt. Durch eine Umklappung (33a) und (33b) entstehen aus den Schenkelhälften (32a) und (32b) die Federzungen (32c) und (32d).
Der Stromkkollektor (4a) wird schließlich durch die einwirkende Kraft F2 an die Feder (32c) und (32d) angedrückt, wodurch die Verbindung (4b) an die Kathoden-Elektrode (4) des Halb-Kondensators (30) angedrückt und der Kontakt hergestellt wird. Sinngemäß geschieht dies auf der gegenüberliegenden Seite zwischen dem Stromkollektor (2a) durch die Kraft F1, durch welche die Verbindung (2b) den Kontakt mit der Anoden-Elektrode (2) des Halb-Kondensators (30) herstellt.
Der Stromkollektor (2a), der Profilkörper (31), das gasdurchlässige Blech (2f) und die Anoden-Kondensatorplatte (2e) füllen den Raum der Anoden-Kammer (1) aus und bilden in derselben die Funktionseinheit (42).
Der Stromkollektor (4a), der Profilkörper (32) und das gasdurchlässige Blech (4h) füllen den Raum der Kathoden-Kammer (5) aus und bilden eine Funktionseinheit (43).
Die 6 zeigt schematisch eine Modul-Platte, welche die Kathoden-Kammer (7) und die die Kathoden-Kammer (7) umfassende Elektrolytmatrix (6) beinhaltet, wobei es sich bei der Kathoden-Kammer um eine Vielzahl von Kanälen handelt. Diese durchziehen die Elektrolytmatrix (6). Im Querschnitt können die durchziehenden Kanäle rund, dreieckig, rechteckig und quadratisch sein.
Im Einzelnen zeigt die 6 die Modul-Platte (36) mit einem Einlass (11) und einem Auslass (14). Über dem Auslass (14) befindet sich eine Lupe (37). Mit dieser sind vergrößert die Gasdurchgänge der äußeren Kathoden-Kammer (7) sichtbar, welche von der Kohlendioxid enthaltenden Gasmischung (53) in der eingezeichneten Richtung durchströmt werden. Die Darstellung mit der Lupe (37) ist so gewählt, dass die Gasdurchgänge der äußeren Kathoden-Kammer (7) von der sie umgebenden Elektrolytmatrix (6) freigelegt, als Säulen von einer aus nur noch einer Schicht dicken Auflagefläche aufsteigen, welche gleichzeitig die der Einlassseite (11) gegenüber liegende Auslassseite (14) bildet. Diese Schicht ist unter der Lupe (38) nochmals vergrößert dargestellt. Die Vergrößerung unter der Lupe (38) zeigt die Keramik-Körner (6b) der Elektrolytmatrix (6), welche über die Verbindung (6c) miteinander verbunden sind und die Elektrolyträume (6a), welche mit Elektrolyt gefüllt sind.
Der im Elektrolytraum (6a) der Elektrolytmatrix (6) eingeschlossene Elektrolyt (6d) geht über die durchgängig verbindenden Porenräume eine Verbindung mit der Außenwand der Kathoden-Kammer (7) ein, über welche der Elektrolyt (6d) der Gasmischung das Kohlendioxid entzieht. Gleichzeitig stellen die Elektrolyträume (6a) über die Außenwand der Modulplatte (36) eine Verbindung zu dem nicht näher dargestellten Elektrolytkanal (8a) mit dem darin enthaltenen Elektrolyten (8) her.
Die 7 zeigt schematisch den Zusammenbau einer kompletten Brennstoffzelle mit den Bauteilen gemäß den Ausführungsbeschreibungen der 4 bis 6 als Explosionszeichnung.
Im Einzelnen zeigt die 7 die Anoden-Kammer (1) mit einem die Funktionseinheit (42) umfassenden Zylinderring (41) nebst Funktionseinheit, einen Halb-Kondensator (30) mit Elektroden (2) und (4) sowie einer Elektrolytmatrix (3), die Kathoden-Kammer (5) mit einem die Funktionseinheit (43) umfassenden Zylinderring (44) nebst Funktionseinheit, den mit Elektrolyt (8) gefüllten Elektrolytkanal (8a) in Form eines elektrolytischen Durchgriffs durch die mittlere Kathoden-Kammer (5), eine Modul-Platte (36) sowie diverse Zu- und Ableitungen (9), (12), (10), (13), (11) und (14), welche mit den Kammer-Ein- und Auslässen verbunden sind und durch welche die Kammern mit Brenngas (49), Luftsauerstoff (51) und Kohlendioxid (53) gespeist und das Anoden-Abgas (50), die Abluft (52) und das Rest-Kohlendioxid (54) abgeführt werden. Die Anoden-Kammer (1) ist mit einer Blind-Platte (40) verschlossen. Des Weiteren zeigt sie die Kontaktstifte (45), (46), (47) und (48). Diese durchgreifen die Blind-Platte (40) an den Durchlässen (40b) und (40c) sowie die Durchlässe (36d) und (36e) in der Elektrolytmatrix (6).
An dem Zylinderring (41) befinden sich die Ein- und Auslässe (9) und (12) der Anoden-Kammer (1). Der Zylinderring (41) umfasst die im Innern der Anoden-Kammer befindliche Funktionseinheit (42). Der Halb-Kondensator (30) wird an die Stirnfläche des Zylinderrings (41) herangeführt und über die deckungsgleichen Ringflächen (41b) und (30a) miteinander kraftschlüssig verbunden. Die Kontakt-Stifte (45) und (46) in der Blind-Platte (40) reichen in die Anoden-Kammer (1) hinein. Durch diese Stifte wird die Funktionseinheit (42) in der Anoden-Kammer (1) an die Anoden-Elektrode (2) angedrückt, wodurch ein elektrischer Kontakt zwischen beiden hergestellt wird. Die Verbindung zwischen der Stirnfläche des Zylindenings (41) und der Blind-Platte (40) findet zwischen den Ringflächen (41a) und (40a) statt, während die Kontaktstifte (45) und (46) in den Durchgangslöchern (40b) und (40c) fixiert werden und die Kontaktstifte (45) und (46) den elektrischen Anschluss der Anoden-Elektrode (2) nach außen führen, an welchen ein elektrischer Verbraucher (17) angeschlossen wird.
Auf der Elektrolytmatrix (3) des Halb-Kondensators (30) wird auf der Fläche (30c) der als Hohlzylinder ausgeführte Elektrolytkanal (8a) mit seiner ringförmigen Stirnfläche (8c) befestigt. Die Funktionseinheit (43) der mittleren Kathoden-Kammer wird mit ihrem Durchgang (43a) über den als Hohlzylinder ausgeführten Elektrolytkanal (8a) gestülpt und mit der Kathoden-Elektrode (4) des Halb-Kondensators (30) verbunden. Umschlossen wird die Funktionseinheit (43) durch den Zylinderring (44) mit seinen Ein- und Auslässen (10) und (13). Die Stirnfläche (8c) des als Hohl-Zylinder ausgeführten Elektrolytkanals (8a) und die Stirnfläche (44a) des Zylinderrings (44) werden mit den deckungsgleichen Ringflächen (30b) und (30c) von dem Halb-Kondensator (30) kraftschlüssig verbunden.
Die mittlere Kathoden-Kammer (5) mit der darin befindlichen Funktionseinheit (43) wird verschlossen, indem die Stirnflächen (8b) und (44b) von dem Elektrolytkanal (8a) und dem Ringzylinder (44) mit den Ringflächen (36b) und (36c) der Modul-Platte (36) miteinander verbunden werden. Die Funktionseinheit (43) der mittleren Kathoden-Kammer (5) wird dabei durch die in der Modul-Platte (36) fixierten und in den Raum der mittleren Kathoden-Kammer (5) hineinreichenden Kontaktstifte (47) und (48) gegen den Halb-Kondensator (30) gedrückt, wodurch ein elektrischer Kontakt mit der Kathoden-Elektrode (4) hergestellt wird. Über die durchgreifenden Kontaktstifte (47) und (48) wird des Weiteren der elektrische Anschluss der Kathoden-Elektrode (4) nach außen geführt. An den nach außen verlegten Anschluss wird ein elektrischer Verbraucher (17) oder eine weitere Brennstoffzelle zu einer Reihenschaltung angeschlossen. Bei einer Reihenschaltung ragen die aus der Modul-Platte (36) hervorstehenden Kontaktstifte (47) und (48) in die Anoden-Kammer (1) einer folgenden Brennstoffzelle soweit hinein, dass sie durch den Andruck eine elektrische Verbindung mit dem Stromkollektor (2a) der Funktionseinheit (42) und der Anoden-Elektrode (2) der folgenden Brennstoffzelle herstellen.
Die Modul-Platte (36) ist mit einem Durchgangsloch (36a) versehen, welches einen Zugang zu dem Innenraum des Elektrolytkanals (8a) herstellt. Durch dieses Durchgangsloch wird der als Hohlzylinder ausgebildete Elektrolytkanal (8a) mit Elektrolyt (8) gefüllt. Der Füllvorgang wird beendet und das Durchgangsloch verschlossen, sobald der Elektrolyt (8) in der Modul-Platte (36) eine Höhe von ca. ½ bis ²/₃ der Dicke des Modul-Körpers erreicht hat, wobei der Elektrolytkanal (8a) mit dem Zylindening (44) identisch sein kann.
Die 8 zeigt einen im Innern aus vier Zellen bestehenden zylindrischen Zellenstapel, welcher durch räumliche Anbauten einen Zellenblock bildet. Der linke Teil der Figur stellt schematisch den Zellenblock als Explosionszeichnung liegend dar, während der Teil rechts davon in einer Draufsicht die geometrische Form darstellt.
Im Einzelnen zeigt die 8 den aus vier Brennstoffzellen (85a), (85b), (85c) und (85d) bestehenden Zellenstapel, welcher an beiden Enden mit einer Isolatorplatte (84) und (86) abgeschlossen ist. Der aus Zellen und Isolatorplatten bestehende Stapel ist von insgesamt sechs angebauten Raumteilern (82a), (82b), (82c), (82d), (82e) und (82f) umgeben. Diese sind gegenüber den Zellen und den Isolatorplatten durch Schalenkörper (81a), (81b), (81c), (81d), (81e) und (81f) miteinander verbunden, welche durch die von außen anliegenden Zylinderkörper (83a), (83b), (83c), (83d), (83e) und (83f) mit den Raumteilern fixiert sind. Des Weiteren sind die Raumteiler, die Schalenkörper und die Isolatorplatten an den Stirnseiten mit den beiden Deckplatten (80) und (87) verbunden, wodurch die angebauten Räume (89a), (89b), (89c), (89d), (89e) und (89f) als gemeinschaftliche Zu- und Ableitungen entstehen. Die Räume sind über die Einlässe (88a), (88c), (88e) und über die Auslässe (88b), (88d), (88f), von außen zugänglich. Des Weiteren befinden sich in den angebauten Räumen (89a), (89c) und (89e) Diffusoren in Form von perforierten Rohren (90a), (90b) und (90c), welche am einen Ende mit den Einlässen (88a), (88c) und (88e) in der Deckplatte (80) verbunden und am anderem Ende verschlossen sind, während die Räume (89b), (89d) und (89f) mit den Auslässen (88b), (88d) und (88f) direkt verbunden sind.
Die angebauten Räume (89a) bis (89f) bilden für die Anoden-Kammer (A), die mittlere Kathoden-Kammer (K1) und die äußere Kathoden-Kammer (K2) Knotenpunkte. Diese Knotenpunkte sind mit den Ein- und den Auslässen der Zellen im Zellenstapel verbunden und es entsteht durch die angebauten Räume eine Parallelschaltung der Zellen. Somit ist der Einlass der Anoden-Kammer (A) mit dem Raum (89a), der Einlass der mittleren Kathoden-Kammer (K1) mit dem Raum (89e), der Einlass der äußeren Kathoden-Kammer (K2) mit dem Raum (89c), der Auslass der Anoden-Kammer (A) mit dem Raum (89b), der Auslass der mittleren Kathoden-Kammer (K1) mit dem Raum (89f) und der Auslass der äußeren Kathoden-Kammer (K2) mit dem Raum (89d) verbunden.
Die gleichmäßige Verteilung des Eintrittsgases in den Räumen (89a), (89c) und (89e) auf die Einlässe der Anoden-Kammer (A), der mittleren Kathoden-Kammer (K1) und der äußeren Kathoden-Kammer (K2) geschieht durch die vorherige Verwirbelung der Gasströme durch die Perforation in den Diffusoren (90a), (90b) und (90c). Die Perforation ist vorzugsweise auf die äußeren Schalenkörper (81d), (81b) und (81f) gerichtet, von welcher die Gasströme in Richtung Einlass der Anoden-Kammer (A), dem Einlass der mittleren Kathoden-Kammer (K1) und dem Einlass der äußeren Kathoden-Kammer (K2) verwirbelt werden und sich der zugeführte Stoffstrom in den angebauten Zuleitungen vergleichmäßigt.
Die 9 zeigt die in einem Zylindermantel eingehauste betriebsbereite Brennstoffzelle mit einer eingebauten Tellerfeder. Der linke Teil der Figur stellt sche matisch den Zellenblock mit der Einmantelung als Explosionszeichnung liegend dar, während der Teil rechts davon in einer Draufsicht die geometrische Form der Brennstoffzelle insgesamt sowie die Führung des Zellenblocks innerhalb der Einmantelung darstellt.
Im Einzelnen zeigt die 9 den Zellenblock (98) und seine Einhausung. Die Einhausung besteht aus einer Bodenplatte (94), dem den Zellenblock (98) umschließenden Zylinder (96) und der Deckplatte (97). Im Innern des Zylinders befinden sich die Führungsschienen (100a) und (100b), auf welchen der Zellenblock (98) durch die Zylinderkörper (101a) und (101b) beabstandet, ruht. Gleichzeitig dienen die zwei Schienen dazu, die thermisch bedingte Ausdehnung des Zellenblocks (98) in axialer Richtung zuzulassen. Die drei Spannbänder (99a), (99b) und (99c) umspannen den Zellenblock (98) mit den dazwischen liegenden Zylinderkörpern (101a), (101b), (101c), (101d), (101e) und (101f). Durch die Spannbänder wird die aus Schalen zusammengesetzte Außenwand des Zellenstapels zusammengehalten. Der Zellenblock (98) wird von der Bodenplatte (94) ausgehend durch die Federkraft der Tellerfeder zusammengepresst, wobei die Deckplatte (97) den Anschlag für den Zellenblock (98) bildet. Durch die Federkraft der Tellerfeder wird der Zellenstapel (98) in axialer Richtung in der Einhausung so eingespannt, dass er die Ausdehnungsbewegung in eine Federspannung umsetzen muss und die Ausdehnungsbewegung gleichzeitig auf den Führungsschieren (100a) und (100b) stattfindet, während die radiale Ausdehnungsbewegung des Zellenblocks (98) in den Spannbändern (99a), (99b) und (99c) in eine Federspannung umgesetzt wird.
Die Zu- und die Ableitungen (92a), (92b), (92c), (92d), (92e) und (92f) für die Gasströme sind mit den Ein- und Auslässen (93a), (93b), (93c), (93d), (93e) und (93f) des Zellenblocks (98) fest verbunden und führen von diesen durch die Durchgänge (91a), (91b), (91c), (91d), (91e) und (91f) der Deckplatte (97) aus dem den Zellenblock (98) umschließenden Zylinderkörper, bestehend aus Zylinder (96), Bodenplatte (94) und Deckplatte (97), heraus. Die vom Zellenblock (98) abgegebene Abwärme wird durch vorbeiströmende Luft von der Oberfläche desselben abgeführt. Hierzu befinden sich in der Bodenplatte (94) und der Deckplatte (97) jeweils ein Ein- und ein Auslass (102) und (103), durch welche der innere Zellenstapel (98) auf seiner Außenwand mit Luft gekühlt wird.
Die 10 zeigt eine Brennstoffzelle, welche zwischen einer Rauchgasreinigungs-Anlage eines Kohlekraftwerkes und dem Kamin geschaltet ist und welche das im Rauchgas enthaltene Kohlendioxid entfernt, verflüssigt und über eine Pipeline zu einem Endlager transportiert, während das von Kohlendioxid befreite Rauchgas durch den Kamin in die Atmosphäre gelangt.
Im Einzelnen zeigt die 10 einen Kohle betriebenen Dampferzeuger (110), eine Entstaubungs-, Entschwefelungs- und Entstickungs-Anlage (112), nachfolgend kurz 3E-Anlage genannt, einen Wärmetauscher (114), eine Brennstoffzelle (116), einen Kamin (119), einen Synthesegas-Erzeuger (122), eine PSA-Anlage (124), einen Kompressor (128), einen Wärmetauscher (130), einen Druckbehälter (132) und eine Pipeline (135).
Die äußere Kathoden-Kammer, Kathode 2 der Brennstoffzelle (116) ist mit ihrem Einlass über die Verbindungen (111) und (113) mit der 3E-Anlage (112) und dem Kohle betriebenen Dampferzeuger (110) sowie mit ihrem Auslass über die Verbindungen (117) und (118) mit dem Wärmetauscher (114) und dem Kamin (119) verbunden. Das Kohlendioxid enthaltende Rauchgas aus dem Dampferzeuger (110) wird in der 3E-Anlage (112) von Staub, Schwefel und Stickoxiden befreit, bevor es in die Kathoden-Kammer von Kathode 2 der Brennstoffzelle (116) gelangt. Dort wird das Kohlendioxid von dem Rauchgas abgereichert. Über den Auslass der Kathoden-Kammer 2 und der bezeichneten Verbindungen gelangt das an Kohlendioxid arme Rauchgas zum Kamin (119), von welchem es in die Atmosphäre gelangt, nachdem ihm zuvor durch den Wärmetauscher (114) ein wesentlicher Teil an enthaltener Enthalpie entzogen wurde. Mit der auf den Sekundärkreis übertragenen Enthalpie wird das an Kohlendioxid reiche Rauchgas aus der 3E-Anlage im Wärmetauscher (114) so weit erhitzt, dass es die zulässige Betriebstemperatur für den Eintritt in die Kathoden-Kammer von Kathode 2 erreicht.
Die Anoden-Kammer der Brennstoffzelle (116) ist mit ihrem Einlass über die Verbindungen (126) und (123) mit der PSA-Anlage (124) und dem Synthesegas-Erzeuger (122) sowie über die Verbindung (133) mit dem Kopfraum des Druckbehälters (132) verbunden. Des Weiteren ist die Anoden-Kammer mit ihrem Auslass über die Verbindungen (127), (129) und (131) mit dem Kompressor (128), dem Wärmetauscher (130) und dem Druckbehälter (132) verbunden.
In der PSA-Anlage (124) wird das im Synthesegas-Erzeuger (122) erzeugte Synthesegas, welches aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, selektiv in die Komponenten Kohlenmonoxid und Wasserstoff gespalten. Über die Verbindung (125) wird der Wasserstoff einer nicht näher beschriebenen Verwendung zugeführt, während das Kohlenmonoxid als Brenngas über die Verbindung (126) in die Anoden-Kammer der Brennstoffzelle (116) gelangt, in welcher es verstromt wird. Das Abgas aus der Verstromung, welches aus Kohlendioxid und Brenngasschlupf besteht, verlässt die Anoden-Kammer über ihren Auslass und wird im Kompressor (128) durch eine Druckbeladung über den kritischen Wert des Kohlendioxids hinaus komprimiert und im Wärmetauscher (130) so weit herabgekühlt, dass sich das Kohlendioxid verflüssigt, welches daraufhin im Druckbehälter (132) zwischengespeichert wird.
Der Sekundärkreis des Wärmetauschers (130) ist über die Verbindung (136) mit einem Gewässer (137) verbunden. Über diese Verbindung wird die aus dem Primärkreis des Wärmetauschers (130) abgegriffene Enthalpie abgeführt.
Der Druckbehälter (132) verfügt über einen Einlass und zwei Auslässe. In seinem Innern herrscht eine Flüssigkeitssäule mit der Höhe (h1), welche vom Bodenraum aus aufsteigt und aus Kohlendioxid besteht. Über dieser Säule befinden sich nicht verflüssigte und nicht verflüssigbare Stoffe. Zwischen beiden Aggregatzuständen „flüssig und gasförmig" herrscht eine Übergangszone mit der Höhe (X1) aus flüssigen und gasförmigen Stoffen. Der Einlass ist daher in seiner Höhe so gewählt, dass das in flüssiger Form zugeführte Kohlendioxid in die Flüssigkeitssäule und zwar deutlich unterhalb der Höhe (h1) eintaucht und die nicht verflüssigten Stoffe innerhalb der Flüssigkeitssäule zur Oberfläche als Gasblasen aufsteigen. Über den kopfseitigen Auslass wird das Gemisch aus vornehmlich Kohlenmonoxid und nur noch Resten von Kohlendioxid aus dem Druckbehälter abgezogen und über die Verbindung (133) in die Anoden-Kammer der Brennstoffzelle (116) eingespeist, in welcher das Kohlenmonoxid verstromt wird. Über den bodenseitigen Ablass wird kontinuierlich flüssiges Kohlendioxid abgezogen und über die Verbindung (134) in eine nicht näher beschriebene Pipeline (135) abgeführt.
Die Kathoden-Kammer 1 der Brennstoffzelle (116) ist mit ihrem Einlass mit der Verbindung (120) und mit ihrem Auslass mit der Verbindung (121) verbunden. Über den Einlass wird die Brennstoffzelle mit Luftsauerstoff für die Verstromung in der Anoden-Kammer gespeist, während die von Sauerstoff abgereicherte Luft die Kathoden-Kammer über die Verbindung (121) verlässt.
Die 11 zeigt eine Brennstoffzelle, welche zwischen einer Sauerstoff-Quelle und einem Kamin geschaltet ist und in welcher der Sauerstoff einerseits für die Verstromung und andererseits für die Kühlung der Brennstoffzelle verwandt wird, während die von Sauerstoff abgereicherte Luft über den Kamin in die Atmosphäre gelangt.
Im Einzelnen zeigt die 11 eine Brennstoffzelle (145), eine PSA-Anlage (141) als Sauerstoffquelle, einen Adsorptionstrockner (143) zur Trocknung der feuchten Luft, diverse Wärmetauscher (150), (153), (157) und (159), ein Gebläse (148) und einen Kamin (155) für die Abluft.
Die mittlere Kathoden-Kammer, die Kathode 1 der Brennstoffzelle (145) ist mit ihrem Einlass über die Verbindungen (140), (142), (144), (151) und (152) mit dem Adsorptionstrockner (143), der PSA-Anlage (141) und mit den Wärmetauschern (150) und (153) verbunden, während der Einlass der PSA-Anlage (141) mit der Atmosphäre verbunden ist. Mit ihrem Auslass ist die Kathoden-Kammer von Kathode 1 der Brennstoffzelle (145) über die Verbindungen (146), (149), (152) und (154) mit dem Wärmetauscher (150) und (153), dem Gebläse (148) und dem Kamin (155) verbunden. Über jenen gelangt ein Teil der von Sauerstoff abgereicherten Abluft in die Atmosphäre, welcher nach dem Wärmetauscher (150) vom übrigen Kreislaufgas abgetrennt wird.
Die PSA-Anlage (141) wird über die Verbindung (140) mit Luftsauerstoff aus der Atmosphäre gespeist und dieser durch Druckwechsel-Prozess selektiv in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt. Während der Stickstoff über die Verbindung (164) einer nicht näher bezeichneten Verwendung zugeführt wird, wird der gewonnene Sauerstoff dem Adsorptionstrockner (143) über die Verbindung (142) zugeführt und in demselben getrocknet, bevor er in die Kathoden-Kammer von Kathode 1 der Brennstoff zelle (145) gelangt. In dieser wird der Sauerstoff zum Zwecke der Verstromung von Brenngas in der Anoden-Kammer abgereichert. Über den Auslass der Kathoden-Kammer von Kathode 1 und der vorbezeichneten Verbindungen gelangt eine Teilmenge des von Sauerstoff abgereicherten Luftgasgemisches als Abluft zum Kamin (155), von welchem es in die Atmosphäre gelangt. Zuvor wird der Abluft im Wärmetauscher (153) ein wesentlicher Teil der in ihr enthaltenden Enthalpie entzogen. Mit der auf den Sekundärkreis übertragenen Enthalpie wird über die Verbindung (160) ein Wärmetauscher (157) gespeist.
Der Kühlkreislauf der Brennstoffzelle (145) beginnt und endet am Auslass der Kathoden-Kammer von Kathode 1 und ist über die Verbindungen (146), (149) und (151) sowie des mit dem Wärmetauscher (150) in Reihe geschalteten Gebläses (148) mit dem Einlass der Kathoden-Kammer verbunden. Über diesen Kreislauf wird der Luftsauerstoff als Kühlmittel im Kreis geführt. Die in der Kathoden-Kammer anfallende Abwärme wird durch den Luftstrom aufgenommen, aus der Kathoden-Kammer abgeführt und im Wärmetauscher (150) dem Luftstrom sodann entzogen. Mit der auf den Sekundärkreis übertragenen Enthalpie wird über die Verbindung (161) ein Wärmetauscher (159) gespeist. Das Kühlmittel Luftsauerstoff wird durch das Gebläse (148) angetrieben, wobei die Abluft über die Verbindung (152) vom Auslass des Wärmetauschers (150) ab- und dem Einlass des Wärmetauschers (153) zugeführt sowie darin thermisch abgereichert wird.
Die aus den Wärmetauschern (150) und (153) abgegebene Enthalpie wird von den Wärmetauschern (157) und (159) aufgenommen. Diese sind über die Verbindung (158) in Reihe miteinander verbunden. Gespeist wird der Wärmetauscher (157) über die Verbindung (156) mit Kesselspeisewasser. Dieses wird in den beiden Wärmetauschern (157) und (159) derart erhitzt, dass es als Frischdampf den Wärmetauscher (159) über die Verbindung (162) verlässt.
Der Adsorptionstrockner (143) wird diskontinuierlich betrieben. Das bedeutet, dass für einen kontinuierlichen Prozess mindestens 2 Zwillingsbehälter erforderlich sind, welche im Wechsel in der Betriebsart „adsorbieren" und „regenerieren" betrieben werden. In der Betriebsart „regenerieren" wird der betreffende Behälter mit sowohl trockenem als auch heißem Stickstoff gespült, welcher über die Verbindung (163a) zu- und das Desorptiv gemeinsam mit dem Stickstoff über die Verbindung (163b) abgeführt wird. Der zur gleichen Zeit von der Regenerierung befreite Behälter entzieht der Luft die in ihr steckende Feuchte durch Adsorption.
Die 12 zeigt eine Brennstoffzelle auf einer Erdgaslagerstätte, welche dem geförderten Erdgas das Kohlendioxid entzieht und das gereinigte Erdgas in eine Pipeline einspeist, welche das Erdgas zu den Verbrauchern transportiert, während über eine zweite Pipeline das Kohlendioxid aus dem Erdgas verflüssigt, in eine Kaverne transportiert und endgelagert wird.
Im Einzelnen zeigt die 12 eine Erdgaslagerstätte (165) mit einem darauf angeordneten Förderturm (167), an welchen sich eine Entschwefelungs-Anlage (169), ein Adsorptionstrockner (171), ein Wärmetauscher (173), eine Brennstoffzelle (175), ein Synthesegas-Erzeuger (182), eine PSA-Anlage (184), ein Kompressor (188), ein Wärmetauscher (190), ein Druckbehälter (192) und zwei Pipelines (178) und (195) anschließen.
Die äußere Kathoden-Kammer, die Kathode 2 der Brennstoffzelle (175) ist mit ihrem Einlass über die Verbindungen (166), (168), (170), (172) und (174) mit dem Adsorptionstrockner (171), der Entschwefelungs-Anlage (169), dem Förderturm (167) und der Erdgaslagerstätte (165) sowie mit ihrem Auslass über die Verbindungen (176) und (177) mit dem Wärmetauscher (173) und der Erdgaspipeline (178) sowie über die Verbindung (181) mit dem Synthesegaserzeuger (182) verbunden. Das Kohlendioxid enthaltende Erdgas aus der Erdgaslagerstätte (165) wird durch den Förderturm (167) übertage gefördert, in der Entschwefelungs-Anlage (169) von Schwefel befreit und im Adsorptionstrockner (171) zum Zwecke des Korrosionsschutzes der Pipeline (178) und aus Gründen des späteren Verkaufs getrocknet, bevor es in die Kathoden-Kammer von Kathode 2 der Brennstoffzelle (175) gelangt. Dort wird das Kohlendioxid dem Erdgas entzogen. Eine Teilmenge der von Kohlendioxid abgereicherten Erdgasmenge wird vom Auslass der Kathoden-Kammer von Kathode 2 ab und über die Verbindung (181) dem Synthesegaserzeuger (182) als Edukt zugeführt. Der überwiegende Teil gelangt über die bezeichneten Verbindungen zur Pipeline (178), durch welche das Erdgas zu den nicht näher bezeichneten Verbrauchern gelangt, nachdem ihm zuvor durch den Wärmetauscher (173) ein wesentlicher Teil der im Erdgas enthaltenen Enthalpie entzogen wurde. Mit der auf den Sekundärkreis übertragenen Enthalpie wird das Kohlendioxid enthaltende Erdgas aus dem Adsorptionstrockner (171) so weit erhitzt, dass es die zulässige Betriebstemperatur für den Eintritt in die Kathoden-Kammer von Kathode 2 erreicht.
Der Adsorptionstrockner (171) wird diskontinuierlich betrieben. Das bedeutet, dass für einen kontinuierlichen Prozess mindestens 2 Zwillingsbehälter erforderlich sind, welche im Wechsel in der Betriebsart „adsorbieren" und „regenerieren" betrieben werden. In der Betriebsart „regenerieren" wird der betreffende Adsorptionsbehälter mit sowohl trockenem als auch heißem Stickstoff gespült, welcher über die Verbindung (198) zu- und das Desorptiv gemeinsam mit dem Stickstoff über die Verbindung (199) abgeführt wird. Der zur gleichen Zeit von der Regenerierung befreite Behälter entzieht dem Erdgas die in ihm steckende Feuchte durch Adsorption.
Die Anoden-Kammer der Brennstoffzelle (175) ist mit ihrem Einlass über die Verbindungen (183) und (186) mit der PSA-Anlage (184) und dem Synthesegas-Erzeuger (182) sowie über die Verbindung (193) mit dem Kopfraum des Druckbehälters (192) verbunden. Des Weiteren ist die Anoden-Kammer mit ihrem Auslass über die Verbindungen (187), (189) und (191) mit dem Kompressor (188), dem Wärmetauscher (190) und dem Druckbehälter (192) verbunden.
In der PSA-Anlage (184) wird das im Synthesegas-Erzeuger (182) erzeugte Synthesegas, welches aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, selektiv in die Komponenten Kohlenmonoxid und Wasserstoff gespalten. Über die Verbindung (185) wird der Wasserstoff einer nicht näher beschriebenen Verwendung zugeführt, während das Kohlenmonoxid als Brenngas über die Verbindung (186) in die Anoden-Kammer der Brennstoffzelle (175) gelangt, in welcher es verstromt wird. Das Abgas aus der Verstromung, welches aus Kohlendioxid und Brenngasschlupf besteht, verlässt die Anoden-Kammer über ihren Auslass und wird im Kompressor (188) durch eine Druckbeladung über den kritischen Wert des Kohlendioxids hinaus komprimiert und im Wärmetauscher (190) so weit herabgekühlt, dass das Kohlendioxid verflüssigt, welches daraufhin im Druckbehälter (192) zwischengespeichert werden kann.
Der Sekundärkreis des Wärmetauschers (190) ist über die Verbindung (196) mit einem Gewässer (197) als Wärmesenke verbunden. Über diese Verbindung wird die aus dem Primärkreis des Wärmetauschers (190) entzogene Enthalpie abgeführt.
Der Druckbehälter (192) verfügt über einen Einlass und zwei Auslässe. In seinem Innern herrscht eine Flüssigkeitssäule mit der Höhe (h2), welche vom Bodenraum aus aufsteigt und aus Kohlendioxid besteht. Über dieser Säule befinden sich nicht verflüssigte und nicht verflüssigbare Stoffe. Zwischen beiden Aggregatzuständen „flüssig und gasförmig" herrscht eine Übergangszone mit der Höhe (X2) aus flüssigen und gasförmigen Stoffen. Der Einlass ist daher in seiner Höhe so gewählt, dass das in flüssiger Form zugeführte Kohlendioxid in die Flüssigkeitssäule und zwar deutlich unter der Höhe (h2) eintaucht und die nicht verflüssigten Stoffe innerhalb der Flüssigkeitssäule zur Oberfläche als Gasblasen aufsteigen. Über den kopfseitigen Auslass wird das Gemisch aus vornehmlich Kohlenmonoxid und nur noch Resten von Kohlendioxid aus dem Druckbehälter abgezogen und über die Verbindung (193) in die Anoden-Kammer der Brennstoffzelle (175) eingespeist, in welcher das Kohlenmonoxid verstromt wird. Über den bodenseitigen Ablass wird kontinuierlich flüssiges Kohlendioxid abgezogen und über die Verbindung (194) in eine nicht näher ausgeführte Pipeline (195) abgeführt, welche mit einer nicht näher dargestellten Endlagerstätte verbunden ist, in welcher das Kohlendioxid endgelagert wird.
Die mittlere Kathoden-Kammer, die Kathode 1 der Brennstoffzelle (175) ist mit ihrem Einlass mit der Verbindung (179) und mit ihrem Auslass mit der Verbindung (180) verbunden. Über den Einlass wird die Brennstoffzelle mit Luftsauerstoff für die Verstromung in der Anoden-Kammer gespeist, während die von Sauerstoff abgereicherte Abluft die Kathoden-Kammer über deren Auslass verlässt.
Die 13 zeigt einen Aufdampfprozess, in welchem eine Elektrolytmatrix mit einer für Gase durchlässigen Anoden-Elektrode beschichtet wird.
Im Einzelnen zeigt die 13 einen Rezipienten (200) mit den beiden Kammern (201) und (202), einem Substrathalter (203), eine Verdampferquelle (204), eine Energiequelle (210), eine Vakuumpumpe (212) und die Elektrolytmatrix (3) als Auslass für die Kammer (202) und als Einlass für die Kammer (201).
Die Elektrolytmatrix (3) ist mit einem Substrathalter (203) verbunden und teilt den Rezipienten (200) in die Kammern (201) und (202) auf. Die Kammer (202) wird über den Einlass (209) mit Spülgas gespeist. Das Spülgas verlässt die Kammer (202), indem es durch die Elektrolyträume (3d) der Elektrolytmatrix (3) in die Kammer (201) strömt. Dort verlässt das Spülgas die Kammer (201) über den Auslass (208). Über die Verbindung (211) ist der Auslass (208) mit dem Eingang einer Vakuumpumpe (212) verbunden, welche die Kammer (201) auf ein Vakuum zwischen 10^–3 und 10^–4 Pa einstellt. Der Ausgang der Vakuumpumpe (212) ist über die Verbindung (213) mit dem Einlass (209) der Kammer (202) verbunden, über welche das Spülgas im Kreis geführt wird.
Die Verdampferquelle (204) ist über die Verbindung (205) und (207) mit der Energiequelle (210) verbunden, über welche die Verdampferquelle (204) mit Energie gespeist wird, wobei die Verbindung (205) eine Vakuumschleuse (206) durchgreift.
Auf der Verdampferquelle (204) liegt das zu verdampfende Material (214) auf, welches durch die Verdampferquelle (204) soweit erhitzt wird, dass es verdampft. Das verdampfte Material steigt als Dampf (215) auf und schlägt sich auf der Elektrolytmatrix (3) als Anoden-Elektrode (2) nieder. Die Einlässe (3e) der Elektrolytmatrix (3) werden mit einem Spülgas beströmt. Das Spülgas durchströmt den Elektrolytraum (3d) der noch ungefüllten Elektrolytmatrix (3). An den ebenfalls noch ungefüllten Auslässen (3f) der Elektrolytmatrix (3) findet aufgrund der Strömung durch das Spülgas kein Niederschlag statt, wodurch die Einlässe (2d) in der Anoden-Elektrode (2) entstehen.
Die 14 zeigt einen Sputterprozess, in welchem eine Elektrolytmatrix mit einer gasdurchlässigen Anoden-Elektrode beschichtet wird.
Im Einzelnen zeigt die 14 einen Rezipienten (220) mit den beiden Kammern (221) und (222), einen Substrathalter (234), eine Anode (223), eine Targetkathode (224), eine Vakuumpumpe (230) sowie die Elektrolytmatrix (3) als Auslass der Kammer (222) und als Einlass der Kammer (221).
Die Elektrolytmatrix (3) ist mit einem Substrathalter (234) verbunden und teilt den Rezipienten (220) in die Kammern (221) und (222) auf. Die Kammer (221) wird vor Prozessbeginn über den Einlass (240) mit Prozessgas als Spülgas gespült und die vorhandene Luft aus der Kammer (221) verdrängt, indem die Luft und das Spülgas die Kammer (221) über den Auslass (225) verlassen. Ebenso wird die Kammer (222) in gleicher Weise mit Spülgas gespült. Hierzu wird das Spülgas über den Einlass (226) zugeführt und über den Auslass (227) zusammen mit der vorhandenen Luft abgeführt.
Nach erfolgter Spülung durch das Spülgas werden der Einlass (240) und der Auslass (225) der Kammer (221) verschlossen und mit der Vakuumpumpe (230) die Kammer (221) auf einen Wert von einigen Zehntel Pa bis ca. 15 Pa evakuiert. Hierzu ist der Eingang der Vakuumpumpe über die Verbindung (229) mit dem Auslass (225) verbunden, über welche die Kammer (221) entleert wird. Der Ausgang der Vakuumpumpe (230) ist mit der Verbindung (231) verbunden, über welche Prozessgas abgeführt wird. Gleichzeitig wird die Kammer (222) über ihren Einlass (226) durch die Verbindung (236) mit Argon als Prozessgas gespeist. Die Einlässe (3e) der Elektrolytmatrix (3) werden mit einem Spülgas beströmt. Das Spülgas durchströmt den Elektrolytraum (3d) der noch ungefüllten Elektrolytmatrix (3). An den ebenfalls noch ungefüllten Auslässen (3f) der Elektrolytmatrix (3) findet aufgrund der Strömung durch das Spülgas kein Niederschlag statt, wodurch die Einlässe (2d) in der Anoden-Elektrode (2) entstehen.
Die Targetkathode (224) ist während des Prozesses über die Verbindung (233) mit dem Minus-Pol und die Anode (223) über die Verbindung (232) mit dem Plus-Pol einer Stromquelle verbunden, wobei die Anode (223) gasdurchlässig ist und an der Elektrolytmatrix (3) anliegt. Die positiv geladenen Argonionen werden zur negativen Targetkathode (224) hin beschleunigt und schlagen aus der Oberfläche Atome (239) heraus. Das Herausschlagen der Atome erfolgt durch eine Impulsübertragung. Neben den abgestäubten Atomen entstehen durch den Ionen-Beschuss eine Reihe weiterer Wechselwirkungsprodukte wie Sekundärelektronen und -ionen, Röntgenstrahlung und Photonen. Die Sekundärionen ionisieren neutrale Argonatome zu Ar⁺ und sorgen somit für die Aufrechterhaltung des Plasmas (235), welches sich als Dampf (237) an der Elektrolytmatrix (3) niederschlägt, wobei die noch ungefüllten Elektrolyträume (3d) der Elektrolytmatrix (3) durch das in Richtung Kammer (221) hindurchströmende Prozessgas frei bleiben und wodurch sich mit frei bleibenden Einlässen (2d) eine gasdurchlässige Anoden-Elektrode (2) bildet.

1

1: Anoden-Kammer
2: Anoden-Elektrode
2a: Stromkollektor für die Anoden-Elektrode
2b: Elektrische Verbindung zwischen Anoden-Elektrode und Stromkollektor
3: Elektrolytmatrix
4: Kathoden-Elektrode
4a: Stromkollektor für die Kathoden-Elektrode
4b: Elektrische Verbindung zwischen Kathoden-Elektrode und Stromkollektor
5: Mittlere Kathoden-Kammer
6: Elektrolytmatrix
7: Äußere Kathoden-Kammer
8: Elektrolyt
8a: Elektrolytkanal
9: Einlass Anoden-Kammer
10: Einlass mittlere Kathoden-Kammer
11: Einlass äußere Kathoden-Kammer
l2: Auslass Anoden-Kammer
13: Auslass mittlere Kathoden-Kammer
14: Auslass äußere Kathoden-Kammer
l5: elektrische Verbindung zwischen Anoden-Elektrode und elektrischem
: Verbraucher
16: elektrische Verbindung zwischen Kathoden-Elektrode und elektrischem
: Verbraucher
17: elektrischer Verbraucher
18: Elektronen zum elektrischen Verbraucher
l9: Elektronen vom elektrischen Verbraucher

2

20: Kondensatorplatte
20a: Anschluss Kondensatorplatte
21: Elektrolyt
22: Kondensatorplatte
22a: Anschluss Kondensatorplatte
E: Elektrisches Feld

3

2: Anoden-Elektrode
2c: Verbindung Anoden-Kondensatorplatte
2d: Einlass
2e: Poröse Anoden-Kondensatorplatte
3: Elektrolytmatrix
3c: Elektrolyt
3d: Elektrolytraum
4: Kathoden-Elektrode
4c: Verbindung Kathoden-Elektrode
4g: Kathoden-Kondensatorplatte als Metallschwamm
E: Elektrisches Feld

4

2: Anoden-Elektrode
2d: Einlass
3: Elektrolytmatrix
3a: Keramikkorn
3b: Verbindung zwischen den Keramikkörnern
3c: Elektrolyt
3d: Elektrolytraum
4: Kathoden-Elektrode
4d: Metallkorn
4e: Verbindung zwischen Metallkörnern
4f: Elektrolytraum
4g: Poröse Kathoden-Kondensatorplatte
23: Lupe
24: Lupe
25: Lupe
26: Lupe
27: Lupe

5

2: Anoden-Elektrode
2a: Stromkollektor für Anoden-Elektrode
2b: elektrische Verbindung, die aus einem Profilkörper (31), einem
: gasdurchlässigen Blech (2f) und einer porösen Anoden-Kondensator-Platte
: (2e) besteht
2e: Anoden-Kondensatorplatte
2f: gasdurchlässiges Blech
3: Elektrolytmatrix
4: Kathoden-Elektrode
4a: Stromkollektor für Kathoden-Elektrode
4b: elektrische Verbindung, die aus einem Profilkörper (32) und einem
: gasdurchlässigen Blech (4h) besteht
4h: gasdurchlässiges Blech
30: Halb-Kondensator
31: Profilkörper
32: Profilkörper
32a: Halbe Schenkellänge
32b: Halbe Schenkellänge
32c: Federzunge nach erfolgter Klappung der Schenkellänge (32a)
32d: Federzunge nach erfolgter Klappung der Schenkellänge (32b)
32e: Schweißnaht
33a: Umklappung von (32a) nach (32c)
33b: Umklappung von (32b) nach (32d)
33c: Durchtrennung des Schenkels in die Hälften (32c) und (32d)
34: Durchgang
35: Lupe
42: Funktionseinheit in der Anoden-Kammer ( 1)
43: Funktionseinheit in der Kathoden-Kammer (5)
F1: Andruckkraft für Stromkollektor Anode
F2: Andruckkraft für Stromkollektor Kathode

6

6: Elektrolytmatrix
6a: Elektrolytraum
6b: Keramikkörner
6c: Verbindung zwischen Keramikkörnern
6d: Elektrolyt
7: äußere Kathoden-Kammer
11: Einlass äußere Kathoden-Kammer
14: Auslass äußere Kathoden-Kammer
36: Modul-Platte, bestehend aus:
: Elektrolytmatrix (6) und äußere Kathoden-Kammer (7)
37: Lupe
38: Lupe
53: Kohlendioxid enthaltende Gasmischung

7

1: Anoden-Kammer
2: Anoden-Elektrode
3: Elektrolytmatrix
4: Kathoden-Elektrode
5: Mittlere Kathoden-Kammer
6: Elektrolytmatrix
7: Äußere Kathoden-Kammer
8: Elektrolyt
8a: Elektrolytkanal und Elektrolyt-Depot
8b: Stirnfläche
8c: Stirnfläche
9: Einlass Anoden-Kammer
10: Einlass mittlere Kathoden-Kammer
11: Einlass äußere Kathoden-Kammer
12: Auslass Anoden-Kammer
13: Auslass mittlere Kathoden-Kammer
14: Auslass äußere Kathoden-Kammer
30: Halb-Kondensator
30a: Äußere Kreisfläche als Klebefläche für Gegenfläche (41b)
30b: Äußere Kreisfläche als Klebefläche für Gegenfläche (44a)
30c: Vorgesehene Anschlussstelle für den Elektrolytkanal (8) mit umfassender
: Ringfläche als Klebestelle für den Hohl-Zylinder (8a) mit seiner äußeren
: Zylinder-Ringfläche (8c)
36: Modul-Platte, bestehend aus:
: Elektrolytmatrix (6) und Kathoden-Kammer (7)
36a: Durchgangsloch zur Befüllung des Elektrolytkanals (8a) mit Elektrolyt (8)
36b: Innere Ringfläche als Klebefläche für Zylinder-Hohlkörper (8a)
36c: Äußere Ringfläche als Klebefläche für die Zylinderringfläche (44b)
36d: Durchlass für Kontaktstift 47
36e: Durchlass für Kontaktstift 48
40: Blind-Platte
40a: Kreisringfläche als Klebefläche für Zylinderringfläche (41a)
40b: Durchlass für Kontaktstift (45)
40c: Durchlass für Kontaktstift (46)
41: Anoden-Kammer (1) umfassender Zylinderring
41a: Äußere Zylinderringfläche als Klebefläche für Gegenfläche (40a)
41b: Äußere Zylinderringfläche als Klebefläche für Gegenfläche (30a)
42: Funktionseinheit für die Anoden-Kammer (1), bestehend aus:
: Stromkollektor (2a), Profilkörper (31), gasdurchlässiges Blech (2f) und
: Anoden-Kondensator-Platte (2e)
43: Funktionseinheit für die Kathoden-Kammer (5), bestehend aus:
: Stromkollektor (4a), Profilkörper (32) und gasdurchlässiges Blech (4h)
43a: Durchlass durch den Anschluss-Modul (43) für den Elektrolytkanal (8)
44: Mittlere Kathoden-Kammer (5) umfassender Zylinderring
44a: Zylinderringfläche als Klebefläche für die äußere Kreisfläche (30b)
44b: Zylinderringfläche als Klebefläche für die äußere Kreisfläche (36c)
45: Kontaktstift
46: Kontaktstift
47: Kontaktstift
48: Kontaktstift
49: Anoden-Brenngas
50: Anoden-Abgas
51: Kathoden-Luft-Sauerstoff
52: Kathoden-Abluft
53: Kohlendioxid enthaltende Gasmischung
54: Kohlendioxid enthaltendes Gasgemisch mit Rest-Kohlendioxid-Gehalt

8

80: Deckplatte
81a: Schalenkörper
81b: Schalenkörper
81c: Schalenkörper
81d: Schalenkörper
81e: Schalenkörper
81f: Schalenkörper
82a: Raumteiler
82b: Raumteiler
82c: Raumteiler
82d: Raumteiler
82e: Raumteiler
82f: Raumteiler
83a: Zylinderkörper
83b: Zylinderkörper
83c: Zylinderkörper
83d: Zylinderkörper
83e: Zylinderkörper
83f: Zylinderkörper
84: Isolatorplatte
85a: Brennstoffzelle
85b: Brennstoffzelle
85c: Brennstoffzelle
85d: Brennstoffzelle
86: Isolatorplatte
87: Deckplatte
88a: Einlass
88b: Auslass
88c: Einlass
88d: Auslass
88e: Einlass
88f: Auslass
89a: Angebauter Raum
89b: Angebauter Raum
89c: Angebauter Raum
89d: Angebauter Raum
89e: Angebauter Raum
89f: Angebauter Raum
90a: Diffusor
90b: Diffusor
90c: Diffusor
A: Anoden-Kammer der Brennstoffzelle
K1: Mittlere Kathoden-Kammer der Brennstoffzelle
K2: Äußere Kathoden-Kammer der Brennstoffzelle

9

91b: Durchgang
91c: Durchgang
91d: Durchgang
91e: Durchgang
91f: Durchgang
92a: Zuleitung
92b: Ableitung
92c: Zuleitung
92d: Ableitung
92e: Zuleitung
92f: Ableitung
93a: Einlass
93b: Auslass
93c: Einlass
93d: Auslass
93e: Einlass
93f: Auslass
94: Bodenplatte
95: Tellerfeder
96: Zellenblock umschließender Zylinder
97: Deckplatte
98: Zellenblock
99a: Spannband
99b: Spannband
99c: Spannband
100a: Führungsschiene
100b: Führungsschiene
101a: Zylinderkörper
101b: Zylinderkörper
101c: Zylinderkörper
101d: Zylinderkörper
101e: Zylinderkörper
101f: Zylinderkörper
102: Einlass
103: Auslass

10

110: Kohlebetriebener Dampferzeuger
111: Verbindung
112: Entstaubungs-, Entschwefelungs- und Entstickungs-Anlage, kurz 3E-Anlage
113: Verbindung
114: Wärmetauscher
115: Verbindung
116: Brennstoffzelle
117: Verbindung
118: Verbindung
119: Kamin
120: Verbindung
121: Verbindung
122: Synthesegas-Erzeuger
123: Verbindung
124: PSA-Anlage
125: Verbindung
126: Verbindung
127: Verbindung
128: Kompressor
129: Verbindung
130: Wärmetauscher
131: Verbindung
132: Druckbehälter
133: Verbindung
134: Verbindung
135: Pipeline
136: Verbindung
137: Gewässer
h1: Höhe der Kohlendioxid-Flüssigkeitssäule
X1: Übergangszone

11

140: Verbindung
141: PSA-Anlage
142: Verbindung
143: Adsorptionstrockner
144: Verbindung
145: Brennstoffzelle
146: Verbindung
148: Gebläse
149: Verbindung
150: Wärmetauscher
151: Verbindung
152: Verbindung
153: Wärmetauscher
154: Verbindung
155: Kamin
156: Verbindung
157: Wärmetauscher
158: Verbindung
159: Wärmetauscher
160: Verbindung
161: Verbindung
162: Verbindung
163a: Verbindung
163b: Verbindung
164: Verbindung

12

165: Erdgaslagerstätte
166: Verbindung
167: Förderturm
168: Verbindung
169: Entschwefelungs-Anlage
170: Verbindung
171: Adsorptionstrockner
172: Verbindung
173: Wärmetauscher
174: Verbindung
175: Brennstoffzelle
176: Verbindung
177: Verbindung
178: Erdgas-Pipeline
179: Verbindung
180: Verbindung
181: Verbindung
182: Synthesegas-Erzeuger
183: Verbindung
184: PSA-Anlage
185: Verbindung
186: Verbindung
187: Verbindung
188: Kompressor
189: Verbindung
190: Wärmetauscher
191: Verbindung
192: Druckbehälter
193: Verbindung
194: Verbindung
195: Kohlendioxid-Pipeline
196: Verbindung
197: Gewässer
198: Verbindung
199: Verbindung
h2: Kohlendioxid-Flüssigkeitssäule
X2: Übergangszone

13

2: Anoden-Elektrode
2d: Einlass
3: Elektrolytmatrix
3d: Elektrolytraum
3e: Einlass
3f: Auslass
200: Rezipient
201: Kammer
202: Kammer
203: Substrathalter
204: Verdampferquelle
205: Verbindung
206: Vakuumschleuse
207: Verbindung
208: Auslass
209: Einlass
210: Energiequelle
211: Verbindung
212: Vakuumpumpe
213: Verbindung
214: Verdampfungsmaterial
215: Materialdampf

14

2: Anoden-Elektrode
2d: Einlass
3: Elektrolytmatrix
3d: Elektrolytraum
3e: Einlass
3f: Auslass
220: Rezipient
221: Kammer
222: Kammer
223: Anode
224: Targetkathode
225: Auslass
226: Einlass
227: Auslass
228: Verbindung
229: Verbindung
230: Vakuumpumpe
231: Verbindung
232: Verbindung
233: Verbindung
234: Substrathalter
235: Plasma
236: Verbindung
237: Materialdampf
238: Argon-Ion
239: Ausgeschlagenes Atom aus der Targetkathode
240: Einlass

Claims

Brennstoffzelle mit Anoden-Kammer (1), Kathoden-Kammer (5), (7) und Elektrolytmatrix (3), (6), Elektrolytkanal (8a) sowie Zuleitungen (9) für Brenngas und Ableitung (12) für entstehendes Kohlendioxid und Wasser an der Anoden-Kammer (1) und Zuleitungen (10), (11) für Sauerstoff und Kohlendioxid an der Kathoden-Kammer (5), (7) und Ableitung (13) für Luftsauerstoff und (14) für Kohlendioxid enthaltende Stoffe, wobei die Anoden-Kammer (1) und die Kathoden-Kammer (5) einen Metallschwamm und/oder eine Funktionseinheit (42), (43) und die Kathoden-Kammer (7) einen Metall- und/oder Keramikschwamm oder eine Modul-Platte (36) aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle in eine äußere Kathoden-Kammer (7) und eine mittlere Kathoden-Kammer (5) unterteilt ist und zwischen der Anoden-Kammer (1) und der mittleren Kathoden-Kammer (5) sowie zwischen der mittleren und der äußeren Kathoden-Kammer (5), (7) zwei separate, mit Elektrolyt (3c) und (6d) durchtränkte Elektrolytmatrizen (3), (6) angeordnet sind, wobei die mittlere Kathoden-Kammer (5) und/oder die Wandung des die mittlere Kathoden-Kammer (5) umfassenden Zylinderrings (44) von einem mit Elektrolyt (8) gefüllten Elektrolytkanal (8a) durchgriffen und die Zu- (10) und Ableitungen (13) für Sauerstoff an der mittleren Kathoden-Kammer (5) sowie die Zu- (11) und Ableitungen (14) für CO₂ an der äußeren Kathoden-Kammer (7) angeordnet sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die Zuleitung (11) zur Kathoden-Kammer (7) eine Mischung aus Kohlendioxidgas und weiteren Gasbestandteilen zuführbar ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Zu- und Ableitungen (11), (14) an der Kathodenkammer (7) und der Zu- und Ableitung (9), (12) der Anodenkammer (1) die Gase im Kreislauf geführt sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytraum (3d) zwischen der Anoden-Kammer (1) und der Kathoden-Kammer (5) aus einem aus drei Schichten bestehenden Schichtkörper besteht, wobei die erste Schicht eine gasdurchlässige Anoden-Elektrode (2), die zweite Schicht eine Elektrolytmatrix (3) und die dritte Schicht eine poröse Kathoden-Elektrode (4) ist, welche zusammen einen ionisch leitenden Halb-Kondensator (30) bilden, in welchem a) die Anoden-Elektrode (2) der Plus-Pol und die Kathoden-Elektrode (4) der Minus-Pol sind und b) die Anoden-Elektrode (2) aus Nickel besteht, welche von Einlässen (2d) unterbrochen ist, durch welche die Elektrolyträume (3d) der Elektrolytmatrix (3) freiliegen und der in den Elektrolyträumen (3d) eingeschlossene Elektrolyt (3c) sich mit den Rändern der Einlässe (2d) verbindet und c) die Kathoden-Kondensatorplatte (4g) aus porösem Nickeloxid besteht, welche von Elektrolyt (3c) aus der Elektrolytmatrix (3) durchdrungen ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Anoden-Kammer (1) eine Funktionseinheit (42) besitzt, welche auf der der Anoden-Elektrode (2) zugewandten Seiten durch eine poröse Kondensatorplatte (2e) und dieser gegenüber durch einen Stromkollektor (2a) begrenzt ist und dazwischen ein als Profilkörper (31) ausgebildeter Körper gegen eine gasdurchlässige Metallschicht (2f) drückt, welche an der Rückseite der Kondensatorplatte (2e) anliegt und diese mit der Anoden-Elektrode (2) verbindet und b) die mittlere Kathoden-Kammer (5) eine Funktionseinheit (43) besitzt, welche auf der der Elektrode (4) zugewandten Seite durch eine Gas durchlässige Metallschicht (4h) und dieser gegenüber durch eine Stromkollektorplatte (4a) begrenzt ist und dazwischen ein als Profilkörper (32) ausgebildeter Körper die Stromkollektorplatte (4a) mit der Metallschicht (4h) verbindet, und c) zwischen der Anoden-Elektrode (2) und der gegenüberliegenden Wand der Anoden-Kammer (1) sowie zwischen der Kathoden-Elektrode (4) und der gegenüber liegenden Wand der Kathoden-Kammer (5) die Kontaktstifte (45), (46), (47) und (48) eingebaut sind, welche die Federzungen (32c) und (32d) der Profilkörper (31) und (32) unter Federspannung halten, wodurch die Stromkollektorplatte (2a) und (4a) mit der Anoden- und Kathoden-Elektrode (2), (4) in Kontakt gehalten werden, wobei die Federzungen (32c) und (32d) durch eine Umklappung (33a) und (33b) der Schenkelhälften (32a) und (32b) entstehen.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zylinderring (41), (44) die Funktionseinheit (42), (43) der Anoden-Kammer (1) und der Kathoden-Kammer (5) umfasst, welcher an seinen Stirnseiten durch eine Anoden- und Kathoden-Elektrode (2), (4) und eine Blind-Platte (40) und einer Modul-Platte (36) verschlossen ist und der Zylinderring (41), (44) die auf die Verschlussfläche von Anoden-Kammer (1) und Kathoden-Kammer (5) einwirkende Kraft (F1), (F2) aufnimmt, diese in die Ringfläche des Zylindenings einleitet und in dem Zylinder-Ringkörper adsorbiert, wobei der Zylindening aus Metall oder Keramik besteht und durch einen Kleber mit seinen Verschlüssen verbunden ist sowie in dem Zylindening (44) mit Elektrolyt (8) gefüllte Elektrolytkanäle (8a) vorhanden sind, welche die Elektrolytmatrix (3) mit der Elektrolytmatrix (6) ionisch verbinden.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modul-Platte (36) die Elektrolytmatrix (6) und die Kathoden-Kammer (7) in sich vereint und die Elektrolytmatrix (6) die Kathoden-Kammer (7) umfasst, wobei der poröse Körper der Elektrolytmatrix (6) Elektrolyträume (6a) besitzt, welche mit Elektrolyt (6d) durchdrungen sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytkanal (8a) durch ein Durchgangsloch (36a) in der Modul-Platte (36) mit Elektrolyt (8) gefüllt wird und der in Schmelze befindliche Elektrolyt (8) die Elektrolytmatrizen (3) und (6) mit solchem speist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihenschaltung von zwei und mehr Brennstoffzellen hergestellt wird, indem eine elektrische Verbindung zwischen dem Stromkollektor (4a) der ersten Brennstoffzelle mit dem Stromkollektor (2a) einer zweiten Brennstoffzelle hergestellt wird, wobei die elektrische Verbindung durch die Kontaktstifte (47) und (48) erfolgt, welche durch die in der Modulplatte (36) vorhandenen Durchlässe (36d) und (36e) greifen und mit dem Stromkollektor (2a) der folgenden Brennstoffzelle in Kontakt gehen und metallisch mit demselben verkleben.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass um die Brennstoffzelle (85a) herum angebauten Räume (89a) bis (89f) für die Ein- (9), (10), (11) und Auslässe (12), (13), (14) derselben und Zu- (92a), (92c), (92e) und Ableitungen (92b), (92d), (92f) angebaut sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen (85a), (85b), (85c), (85d) und weitere Brennstoffzellen zu einem Zellenblock (98) verschaltet sind, indem die angebauten Räume (89a) bis (89f) für die Ein- und Auslässe (9), (10), (11), (12), (13), (14) eine Parallelschaltung bilden und in die angebauten Räume der Zuleitungen Diffusoren (90a), (90b), (90c) eingebaut sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Behältnis aus den Bauteilen Bodenplatte (94), Zylinder (96) und Deckplatte (97) bestehend, den Zellenblock (98) umfasst, wobei in der Deckplatte (97) Öffnungen (91a) bis (91f) vorgesehen sind, durch welche die Zu- und Ableitungen des Zellenblocks (98) hindurchführen und weitere Öffnungen (102), (103) in der Bodenplatte (94) und der Deckplatte (97) vorgesehen sind, durch welche der Zellenblock (98) mit einem diese durchströmenden Kühlmedium gekühlt wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennstoffzelle (85a) und/oder ein Zellenblock (98) durch eine Tellerfeder (95) zusammengehalten werden, indem die Tellerfeder (95) die Brennstoffzelle (85a) und den Zellenblock (98) gegen die als Anschlag wirkende Deckplatte (97) drückt.
Verfahren zur Abreicherung von Kohlendioxid aus Kohlendioxid enthaltenden Gasmischungen mit einer Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass man die brennbare Gase enthaltenden Gasmischungen der äußeren Kathoden-Kammer (7) der Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1–13 zuführt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anoden-Kammer (1) der Brennstoffzelle mit Kohlenmonoxid aus einem Synthesegas-Prozess gespeist wird, wobei zwischen dem Synthesegas-Prozess und dem Einlass (9) der Brennstoffzelle eine Gastrenn-Anlage geschaltet wird, die dem Mischgas aus dem Synthesegas-Prozess den Wasserstoff entzieht.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden-Kammer (5) über ihren Einlass (10) in Abwesenheit von Kohlendioxid mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 14–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathoden-Kammer (5) in Abwesenheit von Feuchte betrieben wird und hierzu der Einlass (10) der Kathoden-Kammer (5) über eine Verbindung mit einem Trockner verbunden ist, in welchem Luftsauerstoff vor dem Eintritt in die Kathoden-Kammer (5) getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 14–17, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Kathoden-Kammer (5) durchströmende und an Sauerstoff reiche Gasmischung mit einem in Reihe geschalteten Wärmetauscher und einem Gebläse im Kreis geführt wird, indem über den Einlass (10) der Brennstoffzelle Frischluft sowie die im Kreis geführte Gasmischung zugeführt wird und die von Sauerstoff abgereicherte Gasmischung die Brennstoffzelle über deren Auslass (13) verlässt, wovon eine Teilmenge der von Sauerstoff abgereicherten Gasmischung über den Wärmetauscher und dem Gebläse dem Einlass (10) wieder zugeführt wird, wobei der im Kreis geführten Gasmischung im Wärmetauscher eine Teilmenge der gespeicherten Enthalpie durch einen Sekundärkreislauf entzogen wird, während der dem Einlass der Brennstoffzelle nicht wieder zugeführte Teil der Gasmischung von der Brennstoffzelle weggeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14–18, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (12) der Anoden-Kammer (1), aus dem ein Gasgemisch aus Brenngasschlupf und Kohlendioxid ausströmt, mit einem Druckerhöhungs-, einem Kühl- und einem Speicher-Prozess für die Verflüssigung von Kohlendioxid verbunden ist, durch welchen das Kohlendioxid von nicht verstromten Brenngas getrennt und das flüssige Kohlendioxid kontinuierlich über eine Ableitung im Bodenraum des Speichers entzogen wird, während das Brenngas über den Kopfraum des Speichers zum Einlass (9) der Anoden-Kammer zur Verstromung zurückfließt und so die Anoden-Kammer (1) gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 14–19, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Anoden-Kammer (1) der Brennstoffzelle über den Einlass (9) mit Kohlenmonoxid als Brenngas aus einem Synthesegas-Prozess gespeist wird, wobei aus der kalten Verbrennung zwischen dem Kohlenmonoxid und dem Sauerstoff aus den elektrisch entladenen Carbonat-Ionen Kohlendioxid hervorgeht, welches zusammen mit dem aus den elektrisch entladenen Carbonat-Ionen hervorgehenden Spaltgas Kohlendioxid den Auslass (12) verlässt, nachdem dem Synthesegas zuvor in einem Gastrenn-Prozess der Wasserstoff entzogen und dieser einem Wasserstoff unterhaltendem Prozess zugeführt wird sowie b) das den Carbonat-Ionenstrom speisende Kohlendioxid einem Kohlendioxid enthaltendem Mischgas durch die Brennstoffzelle entzogen und das entzogene Kohlendioxid einem weiterführenden Prozess sowie einer Sequestrierung zugeführt wird, indem das Mischgas in die äußere Kathoden-Kammer (7) der Brennstoffzelle über deren Einlass (11) eingeführt und an der Elektrolytmatrix (6) von Kohlendioxid abgereichert und im Elektrolyten der Elektrolytmatrix (6) als gelöstes Carbonat aufgenommen wird, worauf das von Kohlendioxid abgereicherte Mischgas die Kathoden-Kammer (7) über deren Auslass (14) verlässt.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Gastrenn-Prozess von Brenngas und Wasserstoff mit einer Gastrenn-Anlage und der Abtrenn-Prozess für das Kohlendioxid aus einem Kohlendioxid enthaltendem Gasgemisch mit einer Brennstoffzelle und einer Gastrenn-Anlage durchgeführt wird, welche über eine Verbindung mit der Atmosphäre, einer Synthesegasquelle, einem Wasserstoff- und/oder einem Kohlendioxid aufnehmenden Prozess und mit einem Kohlendioxid aufnehmenden Ort verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennstoffzelle und ein Bio-Reaktor über eine Verbindung mit einander verbunden sind und in dem Bio-Reaktor chemoautotrophe Bakterien enthalten sind, welche durch die Zuführung von Wärme und Kohlendioxid in ihrem Stoffwechsel unterhalten werden und dazu das Kohlendioxid und/oder die Wärme für den Stoffwechselprozess der Bakterien von der Brennstoffzelle geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung einer Anoden-Elektrode (2) auf einer Elektrolytmatrix (3) durch einen Aufdampfprozess und einen Sputterprozess erfolgt, indem die Elektrolytmatrix (3) als Raumteiler den Rezipienten in zwei Kammern teilt, in welchen zwei unterschiedliche Drücke herrschen und der höhere Druck in der der Kathodenseite zugewandten Kammer herrscht und dieser Druck ein Prozessgas durch die noch gasdurchlässigen und von Elektrolyt (3c) noch freien Elektrolyträume (3d) in der Elektrolytmatrix (3) in die der Anodenseite zugewandten Kammer vorantreibt, mit welchem der einzelne Einlass (2d) in der Anoden-Elektrode (2) durch den austretenden Gasstrom freigehalten wird, während sich der Metalldampf auf der übrigen als Substrat wirkenden Oberfläche der Elektrolytmatrix (3) niederschlägt und eine zusammenhängende poröse Elektrode (2) bildet.