DE10156033C2 - Stromkollektor und Verwendung eines Stromkollektors bei einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle - Google Patents

Stromkollektor und Verwendung eines Stromkollektors bei einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle

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Description

Die Erfindung betrifft einen Stromkollektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie die Verwendung eines Stromkollektors bei einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle gemäß Anspruch 18.
Bei Brennstoffzellenanordnungen sind eine Anzahl von üblicherweise in Form eines Stapels angeordneten Brennstoffzellen vorgesehen, die eine Anode und eine Kathode als Elektroden und eine zwischen diesen angeordnete Elektrolytmatrix aufweisen. An den Anoden sind diese elektrisch kontaktierende Anodenstromkollektoren und an den Kathoden diese elektrisch kontaktierende Kathodenstromkollektoren vorgesehen. Die Funktion der Stromkollektoren umfasst neben der elektrischen Kontaktierung der Elektroden auch die Schaffung eines Raums zum Führen von Brenngas bzw. Kathodengas zu den Anoden bzw. den Kathoden. Weiterhin kann im Bereich der Anoden, insbesondere an den Stromkollektoren derselben ein Katalysatormaterial zur internen Reformierung des Brenngases vorgesehen sein. Schließlich kann die Brennstoffzellenanordnung auch noch eine den Anoden nachgeschaltete katalytische Brennvorrichtung zum Nachverbrennen brennbarer Restbestandteile des verbrauchten Brenngases enthalten.
Aus der DE 195 34 047 C1 geht ein Anodenstromkollektor für eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle als bekannt hervor, der eine Schichtstruktur aufweist. In einer Ausführung besteht eine Schicht aus Aluminium, die mit Nickel der weiteren Schicht eine intermetallische Verbindung Nickel-Aluminid bildet. Die Oberfläche wird damit vor Korrosion geschützt.
In der US 5,496,655 wird eine bipolare Verbindungsplatte beschrieben. Es werden Mischungen aus Nickel und Aluminiumpulver hergestellt, die zusätzlich ein keramisches Füllerpulver enthalten. Dazu wird unter anderem Zirkoniumsilikat, Aluminiumoxid usw. verwendet. Eine Seite der fertigen bipolaren Verbindungsplatte wird durch unterschiedliche konventionelle Verfahren mit einer Schutzschicht versehen, die benachbarte Brennstoffzellen gastechnisch trennt.
Aus der DE 197 35 854 A1 gehen Stromkollektoren aus Edelstahlblechen als bekannt hervor, die durch Beschichtung mit einer Aluminium oder einer aluminidhaltigen Legierung vor Korrosion geschützt werden. Bei Sauerstoffzufuhr ergibt sich ein korrosionsfester Aluminiumoxidfilm.
In der DE 197 30 003 A1 ist ein pulvermetallurgisches Herstellungsverfahren für stromführende Bauteile von Brennstoffzellen beschrieben. Dabei wird feines Aluminiumoxidpulver unter hohen Drücken in die gewünschte Form gepresst und das Pressteil anschließend in einer Aluminiumschmelze mit Aluminium gesättigt. Zur Herstellung von Elektroden werden auch Porenbildner eingesetzt.
In der DE 42 42 570 A1 wird eine Festoxid-Brennstoffzelle beschrieben. Die die Zellen verbindenden Materialien bestehen aus einer Mischung, die durch Zugabe von Eisen, Aluminium, Silizium usw. zu Nickel und Chrom hergestellt werden. Es können aber auch Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder eine Mischung aus Aluminiumoxid und Siliziumoxid verwendet werden. Festoxid-Brennstoffzellen haben einen festen Elektrolyten, weshalb sich ein Korossionsproblem durch abdampfende Alkali-Verbindungen nicht stellt.
Mit dem Betrieb von Schmelzkarbonatbrennstoffzellen ist ein Verdampfen eines Teils des Elektrolyten in Form von Alkaliverbindungen wie KOH, NaOH bzw. LiOH verbunden. Die gebildeten Hydroxide werden aus den Halbzellen ausgetragen und können sich an den genannten Katalysatormaterialien abscheiden und diese durch eine unerwünschte Vergiftung deaktivieren.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromkollektor sowie die Verwendung eines Stromkollektors anzugeben, durch den die Abgabe von schädlichen Hydroxiden verhindert oder vermindert ist.
Die genannte Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 angegebenen Stromkollektor gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe durch die im Anspruch 18 angegebene Verwendung gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindungsgegenstände sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung wird ein Stromkollektor geschaffen und seine Verwendung bei Schmelzkarbonatbrennstoffzellen aufgezeigt, die eine Anode und eine Kathode als Elektroden und eine zwischen diesen angeordnete Elektrolytmatrix aufweisen, wobei an den Anoden diese elektrisch kontaktierende Anodenstromkollektoren und an den Kathoden diese elektrisch kontaktierende Kathodenstromkollektoren vorgesehen sind. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Stromkollektoren von Anode und/oder Kathode durch eine poröse Struktur gebildet sind, und dass die poröse Struktur eine der jeweiligen Elektrode zugewandte erste Schicht und eine der Elektrode abgewandte zweite Schicht aufweist, und dass zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht ein als Alkali-Fänger geeignetes chemisch reaktives Material in Form einer Zwischenschicht vorgesehen ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann das chemisch reaktive Material Si, Al oder Zr enthalten.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann das chemisch reaktive Material SiO2 enthalten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung kann das chemisch reaktive Material eine Ni/Al-Legierung enthalten.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht durch ein Trägermaterial, auf dem das chemisch reaktive Material aufgebracht ist, gebildet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist das Trägermaterial ein Papier.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht durch einen auf einer der einander zugewandten Oberflächen der ersten Schicht oder zweiten Schicht vorgesehenen Überzug gebildet.
Das chemisch reaktive Material kann durch ein Sprayverfahren, durch Schlickerauftrag oder durch Tauchen auf das Trägermaterial aufgebracht sein.
Das chemisch reaktive Material kann durch Beschichten mit Wasserglas auf das Trägermaterial aufgebracht sein.
Der die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht bildende Überzug kann durch Galvanisieren, durch Sputtern oder durch Flammspritzen gebildet sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht Aussparungen oder Fenster enthält, welche eine elektrisch Kontaktierung der ersten und zweiten Schicht untereinander bilden.
Gemäß einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass die die Stromkollektoren bildende poröse Struktur aus einem Sintermaterial, vorzugsweise aus einem porösen Nickel- Sintermaterial besteht.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die die Stromkollektoren bildende poröse Struktur aus einem Nickel-Schaum-Material mit einem Feststoffgehalt von 4% bis ca. 35% besteht.
Gemäß noch einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass die Anode und/oder die Kathode als Schicht auf der die Stromkollektoren bildenden porösen Struktur vorgesehen sind.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist es vorgesehen, dass auf der der Anode gegenüberliegenden Oberfläche der den Anodenstromkollektor bildenden porösen Struktur eine Schicht eines Katalysatormaterials vorgesehen ist.
Weiterhin wird durch die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Stromkollektors bei Schmelzkarbonatbrennstoffzellen gezeigt.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematisierte Schnittdarstellung einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 2 in einer schematisierten, stark vergrößerten Querschnittansicht einen Ausschnitt einer einen Stromkollektor bildenden porösen Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellenanordnung bedeutet das Bezugszeichen 10 insgesamt einen Brennstoffzellenstapel, der aus einer Anzahl von Brennstoffzellen 12 besteht. Diese enthalten jeweils eine Anode 1, eine Kathode 2 und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix 3. Benachbarte Brennstoffzellen 12 sind durch Bipolarplatten 4 voneinander getrennt, welche dazu dienen die Ströme eines Brenngases B und eines Oxidationsgases 0 voneinander getrennt über die Anode 1 bzw. über die Kathode 2 der Brennstoffzellen 12 zu führen. Dabei sind die Anode 1 und die Kathode 2 benachbarter Brennstoffzellen 12 durch die Bipolarplatten 4c gastechnisch voneinander getrennt, jedoch über jeweilige Stromkollektoren 4a, 4b elektrisch kontaktiert, nämlich einen Anodenstromkollektor 4a an der Anode 1 und einen Kathodenstromkollektor 4b an der Kathode 2. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist in seiner Längsrichtung durch Zugstangen 5, welche zwischen Endplatten 6, 7 eingespannt sind, unter eine Vorspannung gesetzt. Die Vorspannung ist einstellbar.
Ganz allgemein sind die Stromkollektoren 4a, 4b durch eine poröse Struktur gebildet, welche die Anode 1 bzw. die Kathode 2 tragen. Eine solche poröse Struktur kann entweder nur für die Anoden 1 oder nur für die Kathoden 2 oder für beide vorgesehen sein. In der die Stromkollektoren 4a, 4b bildenden porösen Struktur sind Strömungswege vorhanden, welche dazu dienen, dass Brenngas bzw. das Kathodengas an den jeweiligen Elektroden 1, 2 vorbeizuführen und an diesen zu verteilen. Solche Strömungswege zum Führen von Brenngas bzw. Kathodengas können zum einen durch (mikroskopische) Strömungswege gebildet sein, die auf Grund der Porosität im Inneren der porösen Struktur vorhanden sind, sowie durch (makroskopische) Gaskanäle, die in oder an der porösen Struktur geschaffen sein können. Hierzu wird auf den Offenbarungsgehalt der derzeit unveröffentlichten Patentanmeldung DE 100 56 535.2 der Anmelderin Bezug genommen.
Bei der in Fig. 2 schematisiert und stark vergrößert dargestellten Querschnittsansicht ist eine die Stromkollektoren 4a, 4b von Anode 1 bzw. Kathode 2 bildende poröse Struktur durch eine der jeweiligen Elektrode 1, 2 zugewandte erste Schicht 4-1 und eine der Elektrode 1, 2 abgewandte zweite Schicht 4-2 gebildet. Zwischen der ersten Schicht 4-1 und der zweiten Schicht 4-2 ist ein als Alkali-Fänger geeignetes chemisch reaktives Material in Form einer Zwischenschicht 4-3 vorgesehen.
Die poröse Struktur, welche die Stromkollektoren 4a, 4b bildet ist vorzugsweise aus einem Sintermaterial hergestellt, vorzugsweise aus einem porösen Nickel-Sintermaterial. Ein solches poröses Nickel-Sintermaterial wird bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel verwirklicht durch ein Nickel-Schaum-Material mit einem Feststoffgehalt von 4% bis ca. 35%. Die Oberfläche der porösen Struktur 4a, 4b, sowohl die der Elektrode 1, 2 zugewandte Oberfläche wie auch die dieser abgewandte Oberfläche, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eben, so dass die poröse Struktur eine planparallele Platte bildet, mit Ausnahme der oben genannten, an der der Elektrode 1, 2 abgewandten Oberfläche eingearbeiteten Strömungskanäle zum Führen von Brenngas bzw. Kathodengas.
Das chemisch reaktive Material kann Si, Al oder Zr oder andere mit den abdampfenden Elektrolytkomponenten reagierende Elemente enthalten. Insbesondere kann das chemisch reaktive Material SiO2 enthalten, welches dazu neigt, mit den Hydroxiden, die gebunden werden sollen, unter Silikatbildung zu reagieren. Alternativ könnte auch eine Ni/Al- Legierung als chemisch reaktives Material verwendet werden. Das chemisch reaktive Material kann auch aus Oxiden der angeführten Elemente bestehen (MnOx, z. B. Al2O3, SiO2). Dabei kann es sich auch um Mischoxide mit weiteren Komponenten handeln (MnMm . . . Ox, Z. B. Al-Silikate).
Die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht 4-3 ist bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein Trägermaterial gebildet, auf dem das chemisch reaktive Material aufgebracht ist. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Trägermaterial eine Papierschicht. Das chemisch reaktive Material kann vorzugsweise durch ein Sprayverfahren, durch Schlickerauftrag oder durch Tauchen auf das Trägermaterial der Zwischenschicht 4-3 aufgebracht sein. Alternativ kann das chemisch reaktive Material zum Beispiel auch durch Beschichten mit Wasserglas auf das Trägermaterial der Zwischenschicht 4-3 aufgebracht sein.
Wie in Fig. 2 weiterhin dargestellt ist, enthält die Zwischenschicht 4-3 Aussparungen oder Fenster 24, welche eine elektrische Kontaktierung der ersten Schicht 4-1 und der zweiten Schicht 4-2 untereinander bilden. Auf der der Elektrode, nämlich der Anode 1 gegenüberliegenden Oberfläche der den Anodenstromkollektor 4a bildenden porösen Struktur, genauer gesagt, der zweiten Schicht 4-2 derselben, ist eine Schicht 18 eines Katalysatormaterials vorgesehen, welches einen Katalysator zur internen Reformierung des Brenngases bildet.
Abweichend zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht 4-3 als Überzug auf einer der einander zugewandten Oberflächen der ersten Schicht 4-1 oder der zweiten Schicht 4-2 vorgesehen sein. Ein solcher Überzug kann durch verschiedene schichtbildende Verfahren hergestellt sein, insbesondere durch Galvanisieren, durch Sputtern oder durch Flammspritzen. Auch hier könnten Aussparungen oder Fenster 24 in der Zwischenschicht 4-3 vorgesehen sein, um eine elektrische Kontaktierung der ersten Schicht 4-1 und der zweiten Schicht 4-2 untereinander zu bilden.
Die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht 4-3 kann "grün" eingebaut werden und die Formierung während des Ausbrandes des verwendeten Bindemittels erfolgen.
Durch das als Alkali-Fänger wirkende chemisch reaktive Material wird eine Vergiftung von in den Brennstoffzellen vorgesehenen Katalysatormaterialien durch aus dem Elektrolyten der Matrix 3 ausdampfende Alkaliverbindungen verhindert.

Claims (18)

1. Stromkollektor für die Elektroden einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, die eine Anode (1) und eine Kathode (2) und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmatrix (3) aufweist, wobei der Stromkollektor (4a, 4b) von Anode (1) und/oder Kathode (2) durch eine poröse Struktur gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Struktur eine der jeweiligen Elektrode (1, 2) zugewandte erste Schicht (4-1) und eine der Elektrode (1, 2) abgewandte zweite Schicht (4-2) aufweist, und dass zwischen der ersten Schicht (4-1) und der zweiten Schicht (4-2) ein als Alkali-Fänger geeignetes chemisch reaktives Material in Form einer Zwischenschicht (4-3) vorgesehen ist.
2. Stromkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch reaktive Material Si, Al oder Zr oder andere mit den Elektrolytkomponenten reagierende Elemente enthält.
3. Stromkollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch reaktive Material aus Oxiden der Elemente besteht.
4. Stromkollektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch reaktive Material aus Mischoxiden besteht.
5. Stromkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch reaktive Material SiO2 enthält.
6. Stromkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch reaktive Material eine Ni/Al-Legierung enthält.
7. Stromkollektor nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 6 in Verbindung mit Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht (4-3) durch ein Trägermaterial, auf dem das chemisch reaktive Material aufgebracht ist, gebildet ist.
8. Stromkollektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial ein Papier ist.
9. Stromkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht (4-3) durch einen auf einer der einander zugewandten Oberflächen der ersten Schicht (4-1) oder zweiten Schicht (4-2) vorgesehenen Überzug gebildet ist.
10. Stromkollektor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch reaktive Material durch ein Sprayverfahren, durch Schlickerauftrag oder durch Tauchen auf das Trägermaterial aufgebracht ist.
11. Stromkollektor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das chemisch reaktive Material durch Beschichten mit Wasserglas auf das Trägermaterial aufgebracht ist.
12. Stromkollektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht (4-3) bildende Überzug durch Galvanisieren, durch Sputtern oder durch Flammspritzen gebildet ist.
13. Stromkollektor nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 12 in Verbindung mit Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das chemisch reaktive Material enthaltende Zwischenschicht (4-3) Aussparungen oder Fenster (24) enthält, welche eine elektrische Kontaktierung der ersten und zweiten Schicht (4-1, 4-2) untereinander bilden.
14. Stromkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die die Stromkollektoren (4a, 4b) bildende poröse Struktur aus einem Sintermaterial, vorzugsweise aus einem porösen Nickel-Sintermaterial besteht.
15. Stromkollektor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die die Stromkollektoren (4a, 4b) bildende poröse Struktur aus einem Nickel-Schaum-Material mit einem Feststoffgehalt von 4% bis 75%, vorzugsweise 4% bis 35% besteht.
16. Stromkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (1) und/oder die Kathode (2) als Schicht auf der die Stromkollektoren (4a, 4b) bildenden porösen Struktur vorgesehen sind.
17. Stromkollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Anode (1) gegenüberliegenden Oberfläche der den Anodenstromkollektor (4a) bildenden porösen Struktur eine Schicht (18) eines Katalysatormaterials vorgesehen ist.
18. Verwendung eines Stromkollektors nach einem der Ansprüche 1 bis 17 für die elektrische Kontaktierung der Elektroden bei einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle.
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