DE4113049A1

DE4113049A1 - Vorrichtung zur fuehrung der gasfoermigen medien in einem stapel von plattenfoermigen keramischen hochtemperatur-brennstoffzellen

Info

Publication number: DE4113049A1
Application number: DE4113049A
Authority: DE
Inventors: James Dr Ferguson; Thomas Jeltsch
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1990-05-28
Filing date: 1991-04-22
Publication date: 1991-12-05

Description

Technisches Gebiet

Hochtemperatur-Brennstoffzellen zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Die elektrochemische Energieumwandlung und die hierzu benötigten Vorrichtungen gewinnen dank ihres guten Wirkungsgrades gegenüber anderen Umwandlungsarten an Bedeutung.

Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung der elektrochemischen Hochtemperatur-Zellen unter Verwendung von keramischen Feststoffelektrolyten als Ionenleiter, wobei die Zellen weitgehend unabhängig vom verwendeten Brennstoff sein sollen und eine raumsparende Anordnung gewähren sollen.

Im engeren Sinne betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Führung der gasförmigen Medien gasförmiger Sauerstoffträger (Symbol O₂) und gasförmiger Brennstoff (Symbol CH₄) in mindestens einem Stapel bestehend aus plattenförmigen ebenen keramischen Hochtemperatur-Brennstoffzellen auf der Basis von ZrO₂ als Feststoffelektrolyt.

Stand der Technik

Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit keramischen Feststoffelektrolyten sind aus zahlreichen Veröffentlichungen bekannt. Die eigentlichen Elemente für derartige Zellen können die verschiedensten Formen und Abmessungen aufweisen. Um die ohmschen Spannungsverluste klein zu halten, wird allenthalben versucht, die Dicke der Elektrolytschicht möglichst niedrig zu halten. Form und Abmessungen der Elemente richten sich zudem nach der Forderung der Möglichkeit der elektrischen Serieschaltung einer Vielzahl von Zellen, um auf die nötige Klemmenspannung zu kommen und die Ströme vergleichsweise niedrig zu halten.

Im Falle einer stapelförmigen Anordnung einer Vielzahl von plattenförmigen Brennstoffzellen ähnlich dem Filterpresse- Prinzip muß der Strom senkrecht zur Plattenebene von der Sauerstoffelektrode der einen Zelle zur Brennstoffelektrode der nächstfolgenden Zelle geleitet werden. Als wesentliche Bauelemente sind für diese Funktion elektrische Verbindungsglieder zu den Elektroden (Stromkollektoren) und Trennplatten (Bipolarplatten) erforderlich.

Die bisher bekannten Bauelemente, Anordnungen und Gasführungen befriedigen vielfach bezüglich der verwendeten Werkstoffe, der Konstruktion und Fabrikation sowie dem Langzeitverhalten die modernen Anforderungen nicht.

Ferner müssen die Ströme der den Brennstoffzellen zuzuführenden gasförmigen Medien (Symbol O₂ für Sauerstoffträger z. B. Luft; Symbol CH₄ für gasförmigen Brennstoff in Form eines Kohlenwasserstoffs, z. B. Methan) derart geleitet und gesteuert werden, daß die Elektrodenoberfläche eine möglichst konstante Temperatur annimmt, die Temperaturunterschiede der verschiedenen Bauteile gering gehalten werden und eine kompakte, raumsparende Anordnung verwirklicht werden kann.

Bei konventionell geführten Strömen der gasförmigen Medien in aus mehreren Einheiten bestehenden Brennstoffzellen-Anordnungen ist - unabhängig von der Art der Anordnung - im allgemeinen die Temperatur am Eintritt zu niedrig, am Austritt dagegen zu hoch. Dies gilt für alle bekannten Einheiten und Anordnungen: Ausführungen in Form von Röhren, Waben, Wellen oder Platten.

Die bekannten, für Brennstoffzellen und deren Anordnungen in größeren Verbänden verwendeten Grundelemente zeichnen sich meistens durch eine vergleichsweise komplizierte Geometrie aus, die den Bau von kompakten, raumsparenden Anlagen erschwert. Insbesondere fehlt eine für eine optimale Serienschaltung und Beaufschlagung der Einzelzellen mit gasförmigen Medien brauchbare Konfiguration, die sich mit einfachen Fabrikationsmitteln realisieren läßt und eine kompakte Blockbauweise ermöglicht.

Es besteht daher ein großes Bedürfnis nach Weiterentwicklung, Vereinfachung und Rationalisierung des Aufbaus und der Herstellung von strömungstechnisch funktionsgerechten Grund-Bauelementen und deren optimalen konstruktiven und fabrikationsgerechten Gestaltung.

Zum Stand der Technik werden die nachfolgenden Druckschriften genannt:

- O. Antonsen, W. Baukal und W. Fischer, "Hochtemperatur- Brennstoffbatterie mit keramischem Elektrolyten", Brown Boveri Mitteilungen Januar/Februar 1966, Seiten 21-30,
- US-A-46 92 274
- US-A-43 95 468
- W.J. Dollard und W.G. Parker, "An overview of the Westinghouse Electric Corporation solid oxide Fuel cell program", Extended Abstracts, Fuel Cell Technology and Applications, International Seminar, Den Haag, Niederlande, 26. bis 29. Oktober 1987.
- F.J. Rohr, High-Temperature Fuel Cells, Solid Elektrolytes, 1987 by Academic Press, Inc. Seite 431 ff.
- D.C. Fee et al., Monolithic Fuel Cell Development, Argonne National Laboratory, Paper presented at the 1986 Fuel Cell Seminar, Oct. 26-29, 1989 Tucson, AZ, U.S. Department of Energy.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Führung der gasförmigen Medien Sauerstoffträger und Brennstoff in mindestens einem Stapel bestehend aus plattenförmigen keramischen Hochtemperatur-Brennstoffzellen auf der Basis von ZrO₂ als Feststoffelektrolyt anzugeben, welche eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in allen Bauteilen gewährleistet, strömungstechnisch vorteilhaft und geometrisch einfach aufgebaut ist und klare Dichtungsverhältnisse schafft. Die Vorrichtung soll höchstmögliche Raumausnutzung gewährleisten und eine einfache Demontierbarkeit der gesamten Brennstoffzellenanordnung ermöglichen. Auf kostengünstige Fertigungsmöglichkeiten ist Wert zu legen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der eingangs erwähnten Vorrichtung pro einzelnem Brennstoffzellenstapel mindestens je ein in einer Ecke einer rechteckförmigen Brennstoffzelle zugeordneter Kanal für die Zufuhr des Sauerstoffträgers O₂ und des Brennstoffs CH₄ sowie für die Abfuhr des Ballastgases N₂ und der Reaktionsprodukte CO₂ und H₂O vorgesehen ist, dessen Hauptachse auf der Plattenebene senkrecht steht und - in der Richtung der Hauptachse gesehen - abwechslungsweise auf der Sauerstoffseite und auf der Brennstoffseite der jeweiligen zu beaufschlagenden Brennstoffzelle Zufuhröffnungen an zwei Ecken der rechteckförmigen Brennstoffzellen-Grundfläche und Abfuhröffnungen an den übrigen zwei Ecken der rechteckförmigen Brennstoffzellen- Grundfläche aufweist, dergestalt, daß die strömenden gasförmigen Medien im Grundriß - senkrecht auf die Plattenebene gesehen - S-förmige Trajektorien beschreiben, wobei sich der Sauerstoffträger (O₂) am Eintritt in die Brennstoffzelle parallel gegensinnig oder parallel gleichsinnig oder quer zum Brennstoff (CH₄) und im Mittelfeld der Brennstoffzelle im Gleichstrom oder im Gegenstrom oder im Kreuzstrom zum Brennstoff (CH₄) bewegt und sich das Ballastgas (N₂) am Austritt aus der Brennstoffzelle parallel gegensinnig oder parallel gleichsinnig oder quer zu den Reaktionsprodukten (CO₂; H₂O) bewegt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Dabei zeigt

Fig. 1 einen Aufriß/Schnitt einer Brennstoffzellenanordnung und der Führung der gasförmigen Medien (Gleichstrom im Mittelfeld),

Fig. 2 einen Grundriß/Schnitt einer Brennstoffzellenanordnung und der Führung der gasförmigen Medien (Gleichstrom im Mittelfeld),

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts von zwei benachbarten Brennstoffzellen- Stapeln und der Führung der gasförmigen Medien (Gleichstrom im Mittelfeld),

Fig. 4 einen Aufriß/teilweisen Schnitt eines Ausschnitts von zwei benachbarten Brennstoffzellen- Stapeln,

Fig. 5 einen Grundriß/Schnitt von vier benachbarten Brennstoffzellen-Stapeln mit Kanälen zur Führung der gasförmigen Medien, Brennstoffseite (CH₄),

Fig. 6 einen Grundriß/Schnitt von vier benachbarten Brennstoffzellen-Stapeln mit Kanälen zur Führung der gasförmigen Medien, Sauerstoffseite (O₂; N₂),

Fig. 7 einen Grundriß/Schnitt einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen-Stapeln mit Kanälen zur Führung der gasförmigen Medien, Brennstoffseite (CH₄), Gleichstrom im Mittelfeld,

Fig. 8 einen Aufriß/Schnitt einer Brennstoffzellenanordnung und der Führung der gasförmigen Medien (Gegenstrom im Mittelfeld),

Fig. 9 einen Grundriß/Schnitt einer Brennstoffzellenanordnung und der Führung der gasförmigen Medien (Gegenstrom im Mittelfeld),

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts von zwei benachbarten Brennstoffzellen- Stapeln und der Führung der gasförmigen Medien (Gegenstrom im Mittelfeld),

Fig. 11 einen Aufriß/Schnitt einer Brennstoffzellenanordnung und der Führung der gasförmigen Medien (Kreuzstrom im Mittelfeld),

Fig. 12 einen Grundriß/Schnitt einer Brennstoffzellenanordnung und der Führung der gasförmigen Medien (Kreuzstrom im Mittelfeld),

Fig. 13 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts von zwei benachbarten Brennstoffzellen- Stapeln und der Führung der gasförmigen Medien (Kreuzstrom im Mittelfeld),

Fig. 14 einen Grundriß/Schnitt einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen-Stapeln quadratischen Querschnitts mit Kanälen zur Führung der gasförmigen Medien, Brennstoffseite (CH₄), Kreuzstrom im Mittelfeld,

Fig. 15 einen Grundriß/Schnitt einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen-Stapeln rechteckigen Querschnitts mit Kanälen zur Führung der gasförmigen Medien, Brennstoffseite (CH₄), Kreuzstrom im Mittelfeld.

In Fig. 1 ist ein Aufriß/Schnitt einer Brennstoffzellenanordnung und der Führung der gasförmigen Medien (Gleichstrom im Mittelfeld) dargestellt. Die eigentliche Brennstoffzelle besteht aus dem keramischen Feststoffelektrolyten 1 aus dotiertem, stabilisiertem ZrO₂, der porösen (positiven) Sauerstoffelektrode 2 aus einem La/Mn-Perowskit und der porösen (negativen) Brennstoffelektrode 3 aus einem Ni/ZrO₂-Cermet. 4 ist eine gasdichte elektrisch leitende Trennplatte, meist aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. 5 stellt einen metallischen oder isolierenden Distanzrahmen inklusive elastische Dichtung (letztere nicht separat eingezeichnet) dar. A-A bedeutet einen Horizontalschnitt durch die brennstoffseitige Kammer: CH₄ steht als Symbol für gasförmigen Brennstoff allgemein. CO₂; H₂O ist das Symbol für die Reaktionsprodukte. 6 stellen die Trajektorien (stilisiert) des CH₄-Stromes auf der Brennstoffseite (oberhalb der Zeichenebene im Grundriß Fig. 2) dar. 7 sind die entsprechenden Trajektorien des CO₂/H₂O-Stromes auf der Brennstoffseite der Brennstoffzelle. B-B bedeutet einen Horizontalschnitt durch die sauerstoffseitige Kammer: O₂; N₂ steht als Symbol für gasförmigen Sauerstoffträger (Luft) allgemein. N₂ ist das Symbol für das Ballastgas (Stickstoff). 8 stellen die Trajektorien (stilisiert) des O₂/N₂-Stromes auf der Sauerstoffseite (unterhalb der Zeichenebene im Grundriß Fig. 2) der Brennstoffzelle dar. 9 sind die entsprechenden Trajektorien des N₂-Stromes auf der Sauerstoffseite der Brennstoffzelle.

Fig. 2 stellt einen Grundriß/Schnitt einer Brennstoffzellenanordnung und der Führung der gasförmigen Medien (Gleichstrom im Mittelfeld) dar. Dieser Grundriß entspricht dem Horizontalschnitt A-A durch die brennstoffseitige Kammer (Fig. 1). 5 ist der Distanzrahmen inklusive elastische Dichtung, der an der oberen linken Ecke eine rechteckförmige Öffnung für den Eintritt des CH₄-Stroms (Trajektorien 6) und an der rechten unteren Ecke eine solche für den Austritt des CO₂/H₂O-Stroms (Trajektorien 7) aufweist. Der S-förmige Verlauf der Trajektorien (Stromlinien) ist deutlich sichtbar. Der sich unterhalb der Zeichenebene befindliche O₂/N₂-Strom mit Eintritt oben rechts (Trajektorien 8) sowie der entsprechende N₂-Strom mit Austritt unten links (Trajektorien 9) ist ebenfalls eingezeichnet. Es wird deutlich, daß sich im Mittelpunkt der Brennstoffzelle die Ströme auf der Brennstoffseite und auf der Sauerstoffseite gleichsinnig bewegen, was durch Pfeilspitzen angedeutet ist: Gleichstromprinzip! Am Eintritt wie am Austritt bewegen sich die Ströme gegenläufig.

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts von zwei benachbarten Brennstoffzellen-Stapeln und der Führung der gasförmigen Medien (Gleichstrom im Mittelfeld). Die Bezugszeichen 1; 2; 3 stellen jeweils eine aus drei Schichten aufgebaute eigentliche Brennstoffzelle dar. 4 ist die Trennplatte, 5 der an zwei diagonal gegenüberliegenden Ecken offene Distanzrahmen. 6 ist die mittlere Trajektorie des CH₄-Stroms auf der Brennstoffseite, 8 diejenige des O₂/N₂-Stroms auf der Sauerstoffseite. Zwischen zwei benachbarten Stapeln ist eine gasdichte Zwischenwand 16 in Form einer keramischen Platte vorgesehen.

In Fig. 4 ist ein Aufriß/teilweiser Schnitt eines Ausschnitts von zwei benachbarten Brennstoffzellen-Stapeln dargestellt. Die Horizontalschnitte A-A und B-B entsprechen denjenigen der Fig. 1. 1; 2; 3 ist jeweils eine plattenförmige Brennstoffzelle, 4 eine gasdichte elektrisch leitende Trennplatte. 14 stellt einen zur vertikalen Führung der gasförmigen Medien dienenden äußeren Kanalkörper dar. 15 ist ein zum gleichen Zwecke vorgesehener innerer Kanalkörper. Die Räume der gasförmigen Medien CH₄ und O₂; N₂ sind mit den entsprechenden Symbolen bezeichnet.

In Fig. 5 ist ein Grundriß/Schnitt von vier benachbarten Brennstoffzellen-Stapeln mit Kanälen zur Führung der gasförmigen Medien, Schnitt durch die Brennstoffseite (CH₄), dargestellt. Dieser Grundriß entspricht dem Horizontalschnitt A-A (Fig. 4). Die Bezugszeichen 5 und 6 entsprechen genau denjenigen der vorausgegangenen Fig. 1 bis 3. 10 ist ein vertikaler Kanal für die Zufuhr des Brennstoffs (Symbol CH₄), 11 ein entsprechender Kanal für die Abfuhr der Reaktionsprodukte (Symbol CO₂; H₂O). 12 ist ein vertikaler Kanal für die Zufuhr des Sauerstoffträgers (Symbol O₂; N₂), im vorliegenden Fall Luft. 13 stellt einen entsprechenden Kanal für die Abfuhr des Ballastgases (Symbol N₂), im vorliegenden Fall Stickstoff, dar. Die Strömungsrichtung steht senkrecht auf der Zeichenebene, aus letzterer heraus, gegen den Betrachter hin gerichtet. Dies ist durch Kreise mit zentralem Punkt (Pfeilspitze von vorne gesehen) angedeutet.

Fig. 6 stellt einen Grundriß/Schnitt von vier benachbarten Brennstoffzellen-Stapeln mit Kanälen zur Führung der gasförmigen Medien, Schnitt durch die Sauerstoffseite (O₂; N₂) dar. Dieser Grundriß entspricht dem Horizontalschnitt B-B (Fig. 4). 8 ist die mittlere Trajektorie des O₂/N₂-Stromes auf der Sauerstoffseite der Brennstoffzellen. Alle übrigen Bezugszeichen und Symbole entsprechen genau denjenigen der Fig. 5.

Fig. 7 stellt einen Grundriß/Schnitt einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen-Stapeln mit Kanälen zur Führung der gasförmigen Medien, Schnitt durch die Brennstoffseite (CH₄) dar: Gleichstrom im Mittelfeld! Im Prinzip ist diese Figur eine Erweiterung der Fig. 5: Zahlreiche Brennstoffzellen-Stapel sind zu einem kompakten Block vereinigt. Die Bezugszeichen entsprechen denjenigen der Fig. 5.

In Fig. 8 ist ein Aufriß/Schnitt einer Brennstoffzellenanordnung und der Führung der gasförmigen Medien (Gegenstrom im Mittelfeld) dargestellt. Sämtliche Bezugszeichen entsprechen denjenigen von Fig. 1. Die Führung der gasförmigen Medien auf der Brennstoffseite (Horizontalschnitt A-A) ist gegenüber derjenigen in Fig. 1 unverändert. Auf der Sauerstoffseite (Horizontalschnitt B- B) ist sie jedoch derjenigen von Fig. 1 entgegengesetzt. Dies ist durch Pfeilspitzen und Kreise mit Kreuzen (Pfeil von hinten gesehen) angedeutet.

In Fig. 9 ist ein Grundriß/Schnitt einer Brennstoffzellenanordnung und der Führung der gasförmigen Medien (Gegenstrom im Mittelfeld) dargestellt. Dieser Grundriß entspricht dem Horizontalschnitt A-A durch die sauerstoffseitige Kammer (Fig. 8). Der sich unterhalb der Zeichenebene befindliche O₂/N₂-Strom tritt hier unten links (Trajektorien 8) ein und der entsprechende N₂-Strom tritt oben rechts (Trajektorien 9) aus. Alles übrige entspricht der Fig. 1. Im Mittelfeld der Brennstoffzelle bewegen sich die Ströme auf der Brennstoffseite gegenläufig zu denjenigen auf der Sauerstoffseite, was durch Pfeilspitzen angedeutet ist: Gegenstromprinzip! Am Eintritt wie am Austritt bewegen sich die Ströme gleichsinnig.

Fig. 10 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts von zwei benachbarten Brennstoffzellen-Stapeln und der Führung der gasförmigen Medien (Gegenstrom im Mittelfeld). Die Darstellung sowie die Bezugszeichen entsprechen genau denjenigen der Fig. 3. Die Stromführung auf der Brennstoffseite (CH₄) ist unverändert, dagegen diejenige auf der Sauerstoffseite (O₂; N₂) gerade umgekehrt wie in Fig. 3. Das Gegenstromprinzip ist durch die Pfeile deutlich gemacht.

Fig. 11 bezieht sich auf einen Aufriß/Schnitt einer Brennstoffzellenanordnung und der Führung der gasförmigen Medien (Kreuzstrom im Mittelfeld). Sämtliche Bezugszeichen entsprechen denjenigen von Fig. 1. Die Führung der gasförmigen Medien auf der Brennstoffseite (Horizontalschnitt A-A) ist die gleiche wie in Fig. 1. Auf der Sauerstoffseite (Horizontalschnitt B-B) ist sie jedoch gegenüber derjenigen der Fig. 1 um 90° in der Plattenebene gedreht. Dies ist durch Pfeilspitzen und Kreise mit Punkten (Pfeil von vorne gesehen) angedeutet.

In Fig. 12 ist ein Grundriß/Schnitt einer Brennstoffzellenanordnung und der Führung der gasförmigen Medien (Kreuzstrom im Mittelfeld) dargestellt. Dieser Grundriß entspricht dem Horizontalschnitt A-A durch die brennstoffseitige Kammer (Fig. 11). Der sich unterhalb der Zeichenebene befindliche O₂/N₂-Strom tritt hier oben links (Trajektorien 8), d. h. in der gleichen Ecke wie der CH₄- Strom aber quer zum letzteren ein und der entsprechende N₂- Strom tritt unten rechts (Trajektorien 9), d. h. in der gleichen Ecke wie der CO₂/H₂O-Strom aber quer zum letzteren aus. Die übrigen Einzelheiten und Bezugszeichen entsprechen der Fig. 1. Im Mittelfeld der Brennstoffzelle bewegen sich die Ströme auf der Brennstoffseite quer zu denjenigen auf der Sauerstoffseite, was durch Pfeilspitzen angedeutet ist: Kreuzstromprinzip! Am Eintritt wie am Austritt bewegen sich die Ströme ebenfalls quer zueinander.

Fig. 13 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Ausschnitts von zwei benachbarten Brennstoffzellen-Stapeln und der Führung der gasförmigen Medien (Kreuzstrom im Mittelfeld). Die Darstellung sowie die Bezugszeichen entsprechen grundsätzlich denjenigen der Fig. 3. Zur besseren Übersichtlichkeit ist die Stromführung auf der Sauerstoffseite (O₂; N₂) im Raume festgehalten worden (entspricht genau der Fig. 3), während die Stromführung auf der Brennstoffseite (CH₄) um 90° gegenüber derjenigen in Fig. 3 versetzt ist. Das Kreuzstromprinzip im Mittelfeld ist deutlich ersichtlich durch entsprechend eingezeichnete Pfeile. Die Zwischenwand 16 entfällt bei dieser Anordnung.

In Fig. 14 ist ein Grundriß/Schnitt einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen quadratischen Querschnitts mit Kanälen zur Führung der gasförmigen Medien, Schnitt durch die Brennstoffseite (CH₄), (Kreuzstrom im Mittelfeld) dargestellt. Grundsätzlich entsprechen die Bezugszeichen denjenigen der Fig. 5. Entsprechend dem Kreuzstromprinzip ist hier eine symmetrische Anordnung mit vollständiger Raumausnutzung durch die aktiven Bauteile ausgeführt. Es werden keinerlei zusätzliche Kanalwände oder Zwischenwände benötigt. Die Kanalwände werden durch den jeweils anstoßenden Teil des isolierenden Distanzrahmens 5 inklusive elastischer Dichtung einer jeden Brennstoffzelle gebildet. Letztere bestehen aus quadratischen Platten. Demzufolge sind alle Kanäle ebenfalls quadratisch und haben den gleichen Querschnitt. Entsprechend den verschieden großen Durchsatzmengen der gasförmigen Medien sind in den verschiedenen Kanälen auch die Strömungsgeschwindigkeiten unterschiedlich.

Fig. 15 zeigt einen Grundriß/Schnitt einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen-Stapeln rechteckigen Querschnitts mit Kanälen zur Führung der gasförmigen Medien, Schnitt durch die Brennstoffseite (CH₄), Kreuzstrom im Mittelfeld. Die Bezugszeichen entsprechen grundsätzlich denjenigen der Fig. 5. Die Kanalquerschnitte sind quadratisch, um auch hier möglichst geringe Druckverluste durch die Strömung zu erhalten. Um den unterschiedlichen Gasmengen strömungstechnisch gerechter zu werden, sind die Kanalquerschnitte - wenigstens paarweise - verschieden groß ausgeführt. Der Kanalquerschnitt für den CH₄-Strom (Kanal 10) und für den CO₂/H₂O-Strom (Kanal 11) ist kleiner als derjenige für den O₂/N₂-Strom (Kanal 12) und den N₂- Strom (Kanal 13). Dadurch wird der Symmetriegrad des Gesamtquerschnitts des vollständigen Stapel-Blocks verringert. Die Brennstoffzellen bzw. die isolierenden Distanzrahmen 5 sind rechteckförmig ausgeführt. Dadurch kann trotz niedrigerem Symmetriegrad eine vollständige Raumausnutzung durch die aktiven Bauteile erzielt werden. Es sind keine passiven, lediglich Stütz- oder Füllfunktion ausübende Bauteile erforderlich. Die Kanalwände werden wieder durch den jeweils entsprechenden Teil des isolierenden Distanzrahmens 5 inklusive elastische Dichtung gebildet. Das Kreuzstromprinzip wird durch die Pfeilspitzen der Trajektorien 6 (CH₄-Strom) und 8 (O₂/N₂-Strom) verdeutlicht.

Ausführungsbeispiel 1 (Vergl. Fig. 1, 2 und 3)

Eine Brennstoffzellenanordnung wurde wie folgt aufgebaut: Mehrere aus Feststoffelektrolyt 1 und Elektroden 2 und 3 bestehende Brennstoffzellen wurden unter Zwischenschaltung von Distanzrahmen 5 mit Trennplatten 4 zu einem Stapel vereinigt. Der Querschnitt des Stapels (senkrecht zur Richtung des elektrischen Stromes gesehen) war quadratisch und maß 100 mm×100 mm. Der Feststoffelektrolyt 1 bestand aus dotiertem, stabilisiertem ZrO₂ und hatte eine Dicke von 60 µm. Die poröse (positive) Sauerstoffelektrode 2 bestand aus einem La/Mn-Perowskit und hatte eine Dicke von 70 µm, die poröse (negative) Brennstoffelektrode 3 aus einem Ni/ZrO₂- Cermet mit einer Dicke von 40 µm. Die Trennplatte 4 und die Distanzrahmen 5 (im vorliegenden Fall ohne Dichtung zu betrachten) bestanden aus einer Nickelbasis-Superlegierung mit dem Handelsnamen Nimonic 90 mit der nachfolgenden Zusammensetzung:

Cr
= 19,5 Gew.-%
Co	= 16,5 Gew.-%
Al	= 1,45 Gew.-%
Ti	= 2,45 Gew.-%
Mn	= 0,30 Gew.-%
Si	= 0,30 Gew.-%
Zr	= 0,06 Gew.-%
C	= 0,07 Gew.-%
B	= 0,003 Gew.-%
Ni	= Rest

Die Trennplatte 4 hatte eine Dicke von 0,5 mm, die Distanzrahmen 5 auf der Sauerstoffseite eine Höhe von 6 mm, auf der Brennstoffseite eine solche von 3 mm. Die Schenkel der L-förmigen Distanzrahmen 5 hatten eine Breite in Plattenebene von 8 mm. Der längere Schenkel maß außen 100 mm, der kürzere 60 mm. Die Distanzrahmen 5 waren auf beiden Seiten der Trennplatte 4 mit dieser über ein Hochtemperaturlot zu einem monolithischen Ganzen fest verbunden. Die Distanzrahmen 5 wurden sowohl auf der Sauerstoffseite wie auf der Brennstoffseite je auf der in der Plattenebene liegenden L-förmigen Begrenzungsfläche unter Verwendung eines Keramikklebers mit einem 0,3 mm dicken Vlies aus Al₂O₃-Fasern als Dichtung belegt (nicht eingezeichnet). Auf diese Weise wurde ein Stapel von insgesamt 10 Einzelbrennstoffzellen (1, 2, 3), 9 Trennplatten 4, verlötet mit ihren benachbarten Distanzrahmen 5 und 2 Endplatten zusammengestellt.

Der Stapel wurde gemäß Strömungsbild Fig. 2 auf der jeweiligen Sauerstoffseite mit Luft (Trajektorien 8) als Sauerstoffträger und auf der entsprechenden Brennstoffseite mit Methan CH₄ (Trajektorien 6) als Brennstoff beaufschlagt. Die Menge der zugeführten gasförmigen Medien war so bemessen, daß die Sauerstoffseite jeder Zelle einem Volumenstrom von 58,8 cm³/s (O₂+4 N₂) und die Brennstoffseite einen solchen von 0,6 cm³/s (1/2 CH₄) unter Standardbedingungen erhielt. Die mittlere Geschwindigkeit im Mittelfeld der Trennplatte 4 betrug unter Standardbedingungen auf der Sauerstoffseite 11,8 cm/s, auf der Brennstoffseite 0,24 cm/s. Der Sauerstoffträger wurde den Brennstoffzellen mit einer Temperatur von ca. 650°C, der Brennstoff mit einer solchen von ca. 450°C zugeführt. Entsprechend den Strömungsverhältnissen (Gleichstrom im Mittelfeld) verließ das Ballastgas (Symbol N₂) die Brennstoffzelle mit einer Temperatur von ca. 820°C, während die Reaktionsprodukte (Symbol CO₂; H₂O) eine solche von ca. 950°C aufwiesen. Die elektrische Leistung betrug ca. 7 W/Zelle (0,10 W/cm²).

Ausführungsbeispiel 2 (Vergl. Fig. 8, 9 und 10)

Die Brennstoffzellenanordnung entsprach grundsätzlich derjenigen von Beispiel 1. Die Hauptabmessungen in der Plattenebene von 100 mm×100 mm waren die gleichen. Auch die aus dem Elektrolyten 1 und den Elektroden 2 und 3 bestehenden Brennstoffzellen hatten die gleichen Dimensionen wie in Beispiel 1. Die Trennplatte 4 und die benachbarten Distanzrahmen 5 (ohne Dichtung) waren aus einem einzigen gepreßten Schmiedestück gefertigt und hatten die Form gemäß Fig. 10. Die Dicke der Trennplatte 4 betrug 1,5 mm. Der Strömungsquerschnitt für die gasförmigen Medien war unverändert. Dadurch wurde die Höhe des Schmiedestücks (Bezugszeichen 4+5+5) 1,5+6+3=10,5 mm. Das Schmiedestück bestand aus der Nickelbasis-Superlegierung mit dem Handelsnamen Nimonic 90.

Der Stapel wurde gemäß Strömungsbild Fig. 9 mit den gasförmigen Medien beaufschlagt. Die Volumenströme waren die gleichen wie unter Beispiel 1 angegeben. Das gleiche galt für die Eintrittstemperaturen. Entsprechend den Strömungsverhältnissen (Gegenstrom im Mittelfeld) verließ das Ballastgas (Symbol N₂) die Brennstoffzelle mit einer Temperatur von ca. 800°C, während die Reaktionsprodukte (Symbol CO₂; H₂O) eine solche von ca. 900°C aufwiesen. Die elektrische Leistung des gesamten Stapels betrug 71 W (0,10 W/cm²), die Stromstärke 10 A, die Zellenspannung 0,71 V.

Ausführungsbeispiel 3 (Siehe Fig. 11, 12 und 13)

Grundsätzlich entsprach die Anordnung derjenigen von Beispiel 1. Der Querschnitt des aus 10 Brennstoffzellen inkl. Zubehör aufgebauten Stapels war quadratisch (80 mm×80 mm). Der aus dotiertem ZrO₂ bestehende Feststoffelektrolyt 1 hatte eine Dicke von 70 µm, die Sauerstoffelektrode 2 aus La/Mn-Perowskit eine solche von 50 µm und die Brennstoffelektrode 3 aus Ni/ZrO₂-Cermet eine von 30 µm. Die Trennplatte 4 bestand aus einem 0,5 mm dicken Blech aus einer Nickelbasis-Superlegierung mit dem Handelsnamen Hastelloy "X" mit folgender Zusammensetzung:

Cr
= 27,0 Gew.-%
Co	= 1,5 Gew.-%
Mo	= 9,0 Gew.-%
W	= 0,6 Gew.-%
Mn	= 0,50 Gew.-%
Si	= 0,50 Gew.-%
Fe	= 18,5 Gew.-%
C	= 0,10 Gew.-%
Ni	= Rest

Die aus gesintertem Al₂O₃ bestehenden L-förmigen Distanzrahmen 5 hatten auf der Sauerstoffseite eine Höhe von 7 mm, auf der Brennstoffseite eine solche von 2,5 mm. Die Schenkel waren 7 mm breit. Der längere Schenkel maß außen 80 mm, der kürzere 48 mm. Die Distanzrahmen 5 waren auf beiden Berührungsflächen (Brennstoffzelle einerseits, Trennplatte andererseits) mit 0,3 mm dicken Keramikvliesen mittels Keramikkleber beplankt. In einer Variante wurde grundsätzlich auf die trennplattenseitigen Vliese verzichtet und die Distanzrahmen 5 direkt mittels Keramikkleber auf der Trennplatte 4 befestigt.

Der Stapel wurde gemäß Strömungsbild Fig. 12 mit dem gasförmigen Sauerstoffträger und dem Brennstoff beaufschlagt. Auf der Sauerstoffseite wurde pro Zelle ein Volumenstrom von 36,2 cm³/s (O₂+4 N₂) und auf der Brennstoffseite ein solcher von 0,36 cm³/s (1/2 CH₄) unter Standardbedingungen zugeleitet. Die mittlere Geschwindigkeit im Mittelfeld der Trennplatte 4 betrug unter Standardbedingungen auf der Sauerstoffseite 1,02 cm/s, auf der Brennstoffseite 0,14 cm/s. Der Sauerstoffträger wurde den Brennstoffzellen mit einer Temperatur von ca. 700°C, der Brennstoff mit einer solchen von ca. 500°C zugeführt. Entsprechend den Strömungsverhältnissen (Kreuzstrom im Mittelfeld) verließ das Ballastgas (Symbol N₂) die Brennstoffzelle mit einer Temperatur von ca. 860°C, während die Reaktionsprodukte (Symbol CO₂; H₂O) eine solche von 970°C annahmen. Die elektrische Leistung betrug ca. 4,3 W/Zelle (0,10 W/cm²), der Strom ca. 6,1 A.

Ausführungsbeispiel 4 (Siehe Fig. 6 und 7)

Es wurde zunächst gemäß Beispiel 1 eine Brennstoffzellenanordnung zusammengestellt. Der Stapel bestand aus 20 Zellen mit Zubehörteilen und hatte einen quadratischen Querschnitt von 100 mm×100 mm. Trennplatte 4 und Distanzrahmen 5 (ohne Dichtungen) bildeten wie in Beispiel 1 eine aus dem Werkstoff Nimonic 90 gebildete Einheit. Insgesamt 16 Stapel wurden gemäß Fig. 7 mit ihren Längsachsen parallel nebeneinandergestellt und durch entsprechend geformte äußere Kanalkörper 14 und innere Kanalkörper 15 ergänzt, welche mit Keramikvlies-Dichtungen (nicht gezeichnet) versehen waren. Um Kurzschlüsse bei unregelmäßigen Wärmedehnungen zu vermeiden, wurden die Kanalkörper 14 und 15 aus gesintertem Al₂O₃ ausgeführt.

In einer Variante wurden diese Kanalkörper aus einer hitze- und zunderbeständigen Eisenbasislegierung mit der Bezeichnung Cr Al 20 5 gemäß Deutscher Norm mit Werkstoffnummer 1.4767 ausgeführt und allseitig mit einem Keramikvlies von 0,5 mm Dicke mittels Keramikkleber umhüllt. Der Werkstoff hatte folgende Zusammensetzung:

Cr
= 20 Gew.-%
Al	= 5 Gew.-%
Si	= 0,8 Gew.-%
Mn	= 0,4 Gew.-%
P	= 0,045 Gew.-%
S	= 0,030 Gew.-%
C	= 0,10 Gew.-%
Fe	= Rest

Die inneren Kanalkörper 15 waren als Leisten mit einem Querschnitt von 8 mm×15 mm gefertigt, während die äußeren Kanalkörper 14 mit Mehrfach-U-Querschnitt gegossen und an den Stoßfugen zum aktiven Teil des Zellenstapelaggregates mechanisch bearbeitet waren.

Die ganze, aus 16 Stapeln bestehende Batterie wurde derart von gasförmigen Medien beaufschlagt, daß im einzelnen pro Brennstoffzelle genau die gleichen Verhältnisse herrschten wie unter Beispiel 1. Unter Berücksichtigung eines Volumenstroms von 58,8 cm³/s (O₂+4 N₂) pro Zelle und eines solchen von 0,6 cm³/s (1/2 CH₄) pro Zelle unter Standardbedingungen ergab sich am unteren Eintritt des vertikalen Kanals 12 für den Sauerstoffträger ein Volumenstrom von total 4700 cm³/s und am Kanal 10 für den Brennstoff ein Volumenstrom von total 48 cm³/s. Die entsprechenden mittleren Geschwindigkeiten am unteren Eintritt betrugen 302 cm/s (Kanal 12) und 4 cm/s (Kanal 10). Die Strömungsverhältnisse (Gleichstrom im Mittelfeld vergl. Fig. 2) ergaben die gleichen Temperaturen wie in Beispiel 1. Die Leistung der gesamten, aus 320 Zellen bestehenden Batterie erreichte den Wert von 2240 W.

Ausführungsbeispiel 5 (Siehe Fig. 12 und 14)

Ähnlich Beispiel 1 wurde eine Brennstoffzellenanordnung zusammengestellt. Ein einzelner Stapel bestand aus 25 Zellen mit Zubehörteilen und hatte einen quadratischen Querschnitt von 100 mm×100 mm. Die Trennplatte 4 bestand aus einem 0,5 mm dicken Blech aus dem Werkstoff Hastelloy "X". Die Distanzrahmen 5 bestanden aus gesintertem Al₂O₃. Die L- förmigen Schenkel maßen 100 mm und 60 mm und waren 8 mm breit. Auf der Sauerstoffseite hatten sie eine Höhe von 6 mm, auf der Brennstoffseite eine solche von 3 mm. Damit ergaben sich grundsätzlich die gleichen Abmessungen wie in Beispiel 1. Die Distanzrahmen 5 wurden mittels eines elastischen Keramikklebers direkt auf die Trennplatte 4 geklebt. Auf den die Brennstoffzellen berührenden Stirnseiten wurden sie mit einem 0,3 mm dicken Keramikvlies beplankt. Da die vertikalen Kanäle 10, 11, 12 und 13 für die gasförmigen Medien direkt durch die versetzt und stumpf aneinander stoßenden Distanzrahmen 5 gebildet wurden, entfielen die Kanalkörper gemäß Beispiel 4. Gemäß Fig. 14 wurden insgesamt 16 Stapel mit ihren Längsachsen parallel nebeneinander gestellt. Pro Brennstoffzelle herrschten die gleichen geometrischen Verhältnisse wie unter Beispiel 1. Im Unterschied dazu wurde die ganze Batterie strömungstechnisch jedoch so geschaltet, daß im Mittelfeld der Trennplatte 4 die Strömungsverhältnisse gemäß Fig. 12 herrschten (Kreuzstromprinzip). Bei einem Volumenstrom von 58,8 cm³/s (O₂+4 N₂) pro Zelle auf der Sauerstoffseite unter Standardbedingungen mußten unten pro Kanal 5880 cm³/s zugeführt werden. Auf der Brennstoffseite war der Volumenstrom 0,6 cm³/s (1/2 CH₄) pro Zelle, wobei unten pro Kanal 60 cm³/s zugeführt werden mußten. Die Gesamtleistung der Batterie war 2,8 kW (400 Zellen), die spezifische Leistungsdichte ca. 0,07 kW/dm³ (netto).

Ausführungsbeispiel 6 (Siehe Fig. 12 und 15)

Ähnlich Beispiel 5 wurde eine Brennstoffzellenanordnung zusammengestellt. Ein einzelner Stapel bestand aus 40 Zellen mit Zubehörteilen und hatte einen rechteckigen Querschnitt von 100 mm×112,5 mm. Die Trennplatte 4 bestand aus einem 0,4 mm dicken Blech aus dem Werkstoff Inconel 690 mit der nachfolgenden Zusammensetzung:

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

Die Distanzrahmen 5 bestanden aus gesintertem Al₂O₃. Die L- förmigen Schenkel hatten außen eine Länge von 112,5 mm und 60 mm und eine Breite von 8 mm. Auf der Sauerstoffseite hatten sie eine Höhe von 6 mm, auf der Brennstoffseite eine solche von 3 mm. Die Distanzrahmen 5 wurden mittels eines elastischen Keramikklebers auf der Trennplatte 4 befestigt. Auf den den Brennstoffzellen zugewandten Stirnseiten wurden die Distanzrahmen 5 mit einem aus Al₂O₃-Faserstoff bestehendem Vlies beklebt. Es waren wie unter Beispiel 5 beschrieben keine zusätzlichen Kanalkörper erforderlich. Insgesamt 9 Stapel von Einzel-Brennstoffzellen wurden gemäß Fig. 15 mit ihren Längsachsen parallel nebeneinander angeordnet. Auf diese Weise wurde eine Batterie von insgesamt 360 Zellen gebildet. Es herrschten daher ähnliche Verhältnisse wie in Beispiel 5 mit dem Unterschied, daß die vertikalen Kanäle für den Sauerstoffträger und für den Brennstoff verschiedene Querschnitte aufwiesen. Erstere maßen 52,5 mm×52,5 mm (27,5 cm²), letztere 40 mm×40 mm (16 cm²). Strömungstechnisch war die ganze Batterie so geschaltet, daß im Mittelfeld der Trennplatte 4 die Strömungsverhältnisse gemäß Fig. 12 herrschten (Kreuzstromprinzip). Bei einem Volumenstrom von 66 cm³/s (O₂+4 N₂) pro Zelle auf der Sauerstoffseite unter Standardbedingungen wurden unten pro Kanal 10560 cm³/s zugeführt. Auf der Brennstoffseite war der Volumenstrom unter Standardbedingungen 0,675 cm³/s (1/2 CH₄) pro Zelle, wobei dem Kanal 108 cm³/s zugeführt werden mußten. Die Gesamtleistung der 360 Zellen- Batterie betrug ca. 2,84 kW.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.

Die Vorrichtung zur Führung der gasförmigen Medien gasförmiger Sauerstoffträger (Symbol O₂; N₂) und gasförmiger Brennstoff (Symbol CH₄) besteht aus mindestens einem Stapel aus plattenförmigen ebenen keramischen Hochtemperatur- Brennstoffzellen (1; 2; 3) auf der Basis von ZrO₂ als Feststoffelektrolyt 1, wobei pro einzelnem Brennstoffzellenstapel mindestens je ein in einer Ecke einer rechteckförmigen Brennstoffzelle (1; 2; 3) angeordneter Kanal (10; 11; 12; 13) für die Zufuhr des Sauerstoffträgers O₂; N₂ (12) und des Brennstoffs CH₄ (10) sowie für die Abfuhr des Ballastgases N₂ (13) und der Reaktionsprodukte CO₂ und H₂O (11) vorgesehen ist, dessen Hauptachse auf der Plattenebene senkrecht steht und - in der Richtung der Hauptachse gesehen - abwechslungsweise auf der Sauerstoffseite und auf der Brennstoffseite der jeweiligen, zu beaufschlagenden Brennstoffzelle (1; 2; 3) Zufuhröffnungen an mindestens einer an mindestens eine Ecke anstoßenden Seite in unmittelbarer Nähe der Ecke der rechteckförmigen Brennstoffzellen-Grundfläche und Abfuhröffnungen an mindestens einer an mindestens eine der übrigen Ecken anstoßenden Seite in unmittelbarer Nähe der Ecke der rechteckförmigen Brennstoffzellen-Grundfläche aufweist, dergestalt, daß die strömenden gasförmigen Medien im Grundriß - senkrecht auf die Plattenebene gesehen - S-förmige Trajektorien beschreiben, wobei sich der Sauerstoffträger (O₂; N₂) am Eintritt in die Brennstoffzelle (1; 2; 3) parallel gegensinnig oder parallel gleichsinnig oder quer zum Brennstoff (CH₄) und im Mittelfeld der Brennstoffzelle (1; 2; 3) im Gleichstrom oder im Gegenstrom oder im Kreuzstrom zum Brennstoff (CH₄) bewegt und sich das Ballastgas (N₂) am Austritt aus der Brennstoffzelle (1; 2; 3) parallel gegensinnig oder parallel gleichsinnig oder quer zu den Reaktionsprodukten (CO₂; H₂O) bewegt.

In einer ersten Ausführungsart der Vorrichtung sind die Zufuhröffnungen in unmittelbarer Nähe von zwei auf der gleichen Seite der Brennstoffzellen-Grundfläche gelegenen Ecken, jedoch an gegenüberliegenden Seiten und die Abfuhröffnungen in unmittelbarer Nähe der diesen Zufuhröffnungen diagonal gegenüberliegenden Ecken angeordnet und der Sauerstoffträger (O₂; N₂) am Eintritt in die Brennstoffzelle (1; 2; 3) bewegt sich parallel gegensinnig zum Brennstoff (CH₄) und im Mittelfeld der Brennstoffzelle (1; 2; 3) im Gleichstrom zum Brennstoff (CH₄) wobei sich das Ballastgas (N₂) am Austritt aus der Brennstoffzelle (1; 2; 3) parallel gegensinnig zu den Reaktionsprodukten (CO₂; H₂O) bewegt. In einer zweiten Ausführungsart der Vorrichtung sind die Zufuhröffnungen in unmittelbarer Nähe von zwei auf der gleichen Seite der Brennstoffzellen-Grundfläche gelegenen Ecken und an der gleichen Seite und die Abfuhröffnungen in unmittelbarer Nähe der diesen Zufuhröffnungen diagonal gegenüberliegenden Ecken angeordnet und der Sauerstoffträger (O₂; N₂) am Eintritt in die Brennstoffzelle (1; 2; 3) bewegt sich parallel gleichsinnig zum Brennstoff (CH₄) und im Mittelfeld der Brennstoffzelle (1; 2; 3) im Gegenstrom zum Brennstoff (CH₄), wobei sich das Ballastgas (N₂) am Austritt aus der Brennstoffzelle (1; 2; 3) parallel gleichsinnig zu den Reaktionsprodukten (CO₂; H₂O) bewegt. In einer weiteren Ausführungsart der Vorrichtung sind die Zufuhröffnungen in unmittelbarer Nähe einer einzigen, von zwei aneinanderstoßenden Seiten der Brennstoffzellen- Grundfläche gebildeten Ecke und an diesen beiden Seiten und die Abfuhröffnungen in unmittelbarer Nähe der diesen Zufuhröffnungen diagonal gegenüberliegenden Ecken angeordnet und der Sauerstoffträger (O₂; N₂) am Eintritt in die Brennstoffzelle (1; 2; 3) bewegt sich quer zum Brennstoff (CH₄) und im Mittelfeld der Brennstoffzelle (1; 2; 3) im Kurzstrom zum Brennstoff (CH₄), wobei sich das Ballastgas (N₂) am Austritt aus der Brennstoffzelle (1; 2; 3) quer zu den Reaktionsprodukten (CO₂; H₂O) bewegt.

Claims

1. Vorrichtung zur Führung der gasförmigen Medien gasförmiger Sauerstoffträger (Symbol O₂; N₂) und gasförmiger Brennstoff (Symbol CH₄) in mindestens einem Stapel bestehend aus plattenförmigen ebenen keramischen Hochtemperatur-Brennstoffzellen (1; 2; 3) auf der Basis von ZrO₂ als Feststoffelektrolyt (1), dadurch gekennzeichnet, daß pro einzelnem Brennstoffzellenstapel mindestens je ein in einer Ecke einer rechteckförmigen Brennstoffzelle (1; 2; 3) angeordneter Kanal (10; 11; 12; 13) für die Zufuhr des Sauerstoffträgers (O₂; N₂) (12) und des Brennstoffs CH₄ (10) sowie für die Abfuhr des Ballastgases N₂ (13) und der Reaktionsprodukte CO₂ und H₂O (11) vorgesehen ist, dessen Hauptachse auf der Plattenebene senkrecht steht und - in der Richtung der Hauptachse gesehen - abwechslungsweise auf der Sauerstoffseite und auf der Brennstoffseite der jeweiligen, zu beaufschlagenden Brennstoffzelle (1; 2; 3) Zufuhröffnungen an mindestens einer an mindestens eine Ecke anstoßenden Seite in unmittelbarer Nähe der Ecke der rechteckförmigen Brennstoffzellen-Grundfläche und Abfuhröffnungen an mindestens einer an mindestens eine der übrigen Ecken anstoßenden Seite in unmittelbarer Nähe der Ecke der rechteckförmigen Brennstoffzellen-Grundfläche aufweist, dergestalt, daß die strömenden gasförmigen Medien im Grundriß - senkrecht auf die Plattenebene gesehen - S-förmige Trajektorien beschreiben, wobei sich der Sauerstoffträger (O₂; N₂) am Eintritt in die Brennstoffzelle (1; 2; 3) parallel gegensinnig oder parallel gleichsinnig oder quer zum Brennstoff (CH₄) und im Mittelfeld der Brennstoffzelle (1; 2; 3) im Gleichstrom oder im Gegenstrom oder im Kreuzstrom zum Brennstoff (CH₄) bewegt und sich das Ballastgas (N₂) am Austritt aus der Brennstoffzelle (1; 2; 3) parallel gegensinnig oder parallel gleichsinnig oder quer zu den Reaktionsprodukten (CO₂; H₂O) bewegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhröffnungen in unmittelbarer Nähe von zwei auf der gleichen Seite der Brennstoffzellen- Grundfläche gelegenen Ecken, jedoch an gegenüberliegenden Seiten und die Abfuhröffnungen in unmittelbarer Nähe der diesen Zufuhröffnungen diagonal gegenüberliegenden Ecken angeordnet sind, und daß sich der Sauerstoffträger (O₂; N₂) am Eintritt in die Brennstoffzelle (1; 2; 3) parallel gegensinnig zum Brennstoff (CH₄) und im Mittelfeld der Brennstoffzelle (1; 2; 3) im Gleichstrom zum Brennstoff (CH₄) bewegt und sich das Ballastgas (N₂) am Austritt aus der Brennstoffzelle (1; 2; 3) parallel gegensinnig zu den Reaktionsprodukten (CO₂; H₂O) bewegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhröffnungen in unmittelbarer Nähe von zwei auf der gleichen Seite der Brennstoffzellen- Grundfläche gelegenen Ecken und an der gleichen Seite und die Abfuhröffnungen in unmittelbarer Nähe der diesen Zufuhröffnungen diagonal gegenüberliegenden Ecken angeordnet sind, und daß sich der Sauerstoffträger (O₂; N₂) am Eintritt in die Brennstoffzelle (1; 2; 3) parallel gleichsinnig zum Brennstoff (CH₄) und im Mittelpunkt der Brennstoffzelle (1; 2; 3) im Gegenstrom zum Brennstoff (CH₄) bewegt und sich das Ballastgas (N₂) am Austritt aus der Brennstoffzelle (1; 2; 3) parallel gleichsinnig zu den Reaktionsprodukten (CO₂; H₂O) bewegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhröffnungen in unmittelbarer Nähe einer einzigen, von zwei aneinanderstoßenden Seiten der Brennstoffzellen-Grundfläche gebildeten Ecke und an diesen beiden Seiten und die Abfuhröffnungen in unmittelbarer Nähe der diesen Zufuhröffnungen diagonal gegenüberliegenden Ecken angeordnet sind, und daß sich der Sauerstoffträger (O₂; N₂) am Eintritt in die Brennstoffzelle (1; 2; 3) quer zum Brennstoff (CH₄) und im Mittelfeld der Brennstoffzelle (1; 2; 3) im Kurzstrom zum Brennstoff (CH₄) bewegt und sich das Ballastgas (N₂) am Austritt aus der Brennstoffzelle (1; 2; 3) quer zu den Reaktionsprodukten (CO₂; H₂O) bewegt.