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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Separatorplatte für eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung derselben. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Separatorplatte zur Verwendung in einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, welche dazu dient, ein Brenngas zu reformieren, während es diesem ermöglicht wird, auf effiziente Weise in diese hinein und heraus zu strömen, somit Wasserstoff und Kohlendioxid erzeugend, welche anschließend einer Anode zugeführt werden, und welche dazu dient, die elektrische Verbindung zwischen der Anode und der Kathode zu realisieren, und auf ein Verfahren zur einfachen Herstellung derselben.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen finden Beachtung als hocheffiziente Energieerzeuger der nächsten Generation von hoher Effizienz und mit geringer Schadstoffemission zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie durch eine Reduktions-Oxidations-Reaktion von Reaktanden. H2 + CO3 2– ↔ H2O + CO2 + 2e– (anodische Oxidation) ½O2 + CO2 + 2e– ↔ CO3 2– (kathodische Reduktion)
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Die Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus einer Anode, einer Kathode und einer Elektrolytmatrix, welche zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, wobei ein Elektrolyt in die Elektrolytmatrix aufgenommen wird, um einen effizienten Ionenfluss zu gewährleisten. Das heißt, ein Brenngas wird der Anode zugeführt, um es dadurch zu oxidieren, wobei Sauerstoff oder Luft zusammen mit Kohlendioxid der Kathode zugeführt wird, um Carbonat-Ionen zu erzeugen (CO3 2–), welche anschließend von der Kathode zur Anode durch die Elektrolytmatrix hindurch, welche sich zwischen Anode und Kathode befindet, überführt werden. Somit fließen Elektronen über einen äußeren Stromkreis. Dadurch wird in der Brennstoffzelle die chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt mittels der Oxidations-Reduktions-Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Dementsprechend weist die Brennstoffzelle die Vorteile auf, dass sie einen hohen Wirkungsgrad besitzt (weil es keine Einschränkungen gibt wie beim Carnot-Prozess, welcher gekennzeichnet ist durch einen geringen Wirkungsgrad bei der mechanischen Erzeugung von Wärme durch Erhitzen von Wasser oder anderen Medien und Antreiben einer Turbine mittels durch Wasserdampf erzeugten Drucks, wie bei der üblichen Wärmeerzeugung), geringen Schadstoffausstoß erzeugt (da es nicht zur Abgabe von Stickstoffoxid oder Schwefeloxid kommt), keinen Lärm verursacht (da es keine beweglichen Teile gibt), modular aufgebaut werden kann (da die Brennstoffzelle einfach zu bauen und zu vergrößern ist und ihre Kapazität verschiedenartig ausgebildet sein kann), kompatibel ist zu einer Vielzahl von Brennstoffen (da es möglich ist, Brennstoffe wie Wasserstoff, Kohlegas, Erdgas, Methanol und Benzin zu verwenden), und eine Kraft-Wärme-Kopplung ermöglicht (da in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle warmes Wasser erzeugt werden kann unter Verwendung von Abwärme). Insbesondere ist eine als Brennstoffzelle der zweiten Generation bezeichnete Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (im Folgenden bezeichnet als „MCFC” (molten carbonate fuel cell)) dadurch gekennzeichnet, dass ein Material, bei dem Alkalimetallcarbonate wie Lithiumcarbonat oder Kaliumcarbonat geschmolzen vorliegen, als Elektrolyt verwendet wird, und gesintertes Nickel und gesintertes lithiiertes Nickeloxid als Anode beziehungsweise als Kathode verwendet werden. Das heißt, eine schnelle elektrochemische Reaktion bei hohen Temperaturen ermöglicht die Verwendung von kostengünstigem Nickel anstelle von Platin als Elektrodenmaterial, was von wirtschaftlichem Vorteil ist. Ferner können Dank der Eigenschaften der Nickel-Elektrode, bei welcher sogar Platin-Elektroden schädigendes Kohlenmonoxid als Brennstoff mittels einer Wassergas-Shiftreaktion verwendet werden kann, verschiedene Brennstoffe wie Kohlegas, Erdgas, Methanol und Biogas gewählt werden. Wenn Hochtemperatur-Abwärme von guter Qualität unter Verwendung eines Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerators (heat recovery steam generator, HRSG) wiederverwertet wird, kann der thermische Gesamtwirkungsgrad auf etwa 60% oder mehr gesteigert werden. Des Weiteren können, da die MCFC bei hohen Temperaturen betrieben wird, eine elektrochemische Reaktion und eine Brennstoff reformierende Reaktion in einem Brennstoffzellen-Stapel simultan erfolgen, um somit internes Reformieren zu realisieren. Eine derartige interne reformierende MCFC dient dazu, den Heizwert der elektrochemischen Reaktion direkt auf eine reformierende Reaktion, die eine endotherme Reaktion ist, anzuwenden, sogar ohne Verwendung eines zusätzlichen externen Wärmetauschers, und daher ist der thermische Gesamtwirkungsgrad viel höher als der einer externen reformierenden MCFC, und darüber hinaus wird der Aufbau des Systems vereinfacht. Die MCFC besteht weitgehend aus einem Stapel zur Erzeugung von Elektrizität, einem mechanischen Peripheriegerät, wie beispielsweise einem Brennstoff-Zuführer, und einem elektrischen Peripheriegerät, wie beispielsweise einem Spannungswandler. Insbesondere wurden, da der Stapel den Wirkungsgrad, die Lebensdauer und die Leistung der MCFC beeinflusst, die Formen der Separatorplatten, die den Stapel bilden und Verfahren zur Zufuhr des Brennstoffes in die Separatorplatte gründlich erforscht.
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Trotz dieser Vorteile der MCFC existieren auch Nachteile, da diese bei hohen Temperaturen betrieben werden muss und hochkorrosive geschmolzene Carbonate als Elektrolyt verwendet, was unerwünschter Weise leicht zur Korrosion der Bestandteile der Zelle führt. Insbesondere sollte die Separatorplatte mit einem Kathodenraum, einem Anodenraum und einer dazwischen befindlichen Elektrolytmatrix bereitgestellt werden, und ein Brenngas und ein oxidierendes Gas sollten getrennt voneinander in der Separatorplatte strömen, und somit kann eine Korrosion der Separatorplatte oder ein Leckageausfluss von der Separatorplatte die Gesamtleistung der Brennstoffzelle auf sehr negative Weise beeinflussen. Zusätzlich sollte die Separatorplatte der MCFC dazu dienen, ein Brenngas wie Erdgas oder Kohlegas, welches kontinuierlich zugeführt wird, zu Wasserstoff zu reformieren.
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Eine konventionelle Separatorplatte für einen MCFC-Stapel (
koreanische geprüfte Patentveröffentlichung Nr. 100259213 B1 ) umfasst einen Anoden-Manifold (Verteilerkanal) zur Übertragung von Wasserstoff und Kohlendioxid, reformiert aus einem Brenngas unter Verwendung eines Reformers als Brennstoff-Umwandler neben anderen Peripheriegeräten, zur Separatorplatte, und einen Kathoden-Manifold zur Übertragung von Luft und Kohlendioxid, wobei der Anoden-Manifold und der Kathoden-Manifold sequenziell auf der gleichen Fläche der Separatorplatte angeordnet sind. Zusätzlich, um die Dichte des Gases beizubehalten, besitzt die Separatorplatte eine Struktur, bei welcher die Elektrolytmatrix zwischen den Enden der Manifolds eine Dichtung besitzt, um zu verhindern, dass sich die zugeführten Gase vermischen, und die Gase werden zur Anode und zur Kathode über eine Stromableiterplatte vom Typ eines abgeschirmten Spalts übertragen, welche letztendlich die elektrochemische Reaktion bewirkt. Der Strom wird erzeugt durch Oxidation und Reduktion, welche an der Anode und an der Kathode stattfinden, und der somit entlang der Separatorplatte fließt. Bei der Separatorplatte mit einer derartigen Struktur ist es sehr wichtig, dass das Vermischen der Gase, welche der Anode beziehungsweise der Kathode zugeführt werden, verhindert wird, um die Gasdichte beizubehalten. Daher ist eine größere Zahl von Schweißvorgängen nötig, wodurch die Separatorplatte einen komplizierten Aufbau erhält, was die Herstellungskosten auf unerwünschte Weise erhöht. Obwohl sogar eine thermische Behandlung durchgeführt wird, da die Verformung der Separatorplatte bei der Versiegelung des Stapels nicht vollständig beseitigt wird, kann eine einheitliche Belastungsverteilung und eine luftdichte Randabdichtung nicht realisiert werden. Ferner wird unter Verwendung des Reformers, der ein externes Peripheriegerät ist, das Brenngas reformiert, um Wasserstoff zu liefern, und daher ist es unmöglich, die Temperaturverteilung zu kontrollieren, die sich im Gas ausbildet, das dem Stapel zugeführt wird.
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Bei einer konventionellen Separatorplatte werden, mit dem Ziel einer vollständigen Trennung des Gases des Anodenraums von dem des Kathodenraums, das Ende der Separatorplatte und der Gaseinlass des Manifolds verschweißt unter Verwendung eines Nd:YAG-Lasers, und der Bereich der Randabdichtung wird mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung überzogen unter Verwendung einer Mischung, welche als Hauptbestandteil Aluminium umfasst, sowie Nickel, Titan, Chrom und Kupfer, oder unter Verwendung eines keramischen Materials wie beispielsweise Titannitrid, und wird anschließend bei 500~600°C für eine zuvor festgelegte Zeitspanne in einer reduzierenden Atmosphäre oder in einem Vakuumofen stehen gelassen, gefolgt von der Durchführung einer thermischen Behandlung zur Bildung einer Aluminium-Diffusionsschicht bei einer erhöhten Temperatur von 700~850°C.
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Da es bei einem Schmelztauchverfahren, welches zu den konventionellen Beschichtungsverfahren gehört, schwierig ist, einen unerwünschten Bereich zu maskieren und welches außerdem bei hohen Temperaturen erfolgt, tritt die Deformation eines Mutterwerkstoffs unerwünschter Weise nach Verwendung einer Aluminiumschmelze auf. Ferner, obwohl ein physikalischer Gasabscheidungsprozess die Bildung einer Überzugsschicht von hoher Qualität ermöglicht, leidet diese darunter, dass die Dicke der Schicht schwierig zu erhöhen ist und die Verfahrenskosten dafür sehr hoch sind. Zusätzlich kann ein Pack-Cementation-Prozess Probleme verursachen, die mit der Deformation einer Separatorplatte und dem Phasenwechsel eines Mutterwerkstoffs zusammenhängen, wenn die Arbeiten bei 1000°C oder mehr erfolgen. Des Weiteren kann im Falle des Flammspritzverfahrens, auf Grund des Sandstrahlens zur Vorbehandlung oder des Drucks einer Düse, ein Mutterwerkstoff verformt werden oder Poren darin zurückbleiben, und die Dicke der Schicht kann uneinheitlich sein. Ferner ist ein Schlämmbeschichtungsverfahren (slurry coating) kostengünstig und einfach anzuwenden, um verschiedenen Formen zu beschichten, jedoch ist es schwierig, die Viskosität des Schlamms beizubehalten, wodurch die Einheitlichkeit der Dicke herabgesetzt wird, und außerdem Poren, welche von der Verdampfung von Lösemittel herrühren, schwierig zu eliminieren sind, wodurch die Dicke der Überzugsschicht begrenzt ist.
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Dementsprechend schlägt die vorliegende Erfindung eine Separatorplatte vor, welche sich von den konventionellen Separatorplatten für eine MCFC unterscheidet, und speziell eine MCFC mit direkter interner Reformierung (DIR), welche mittels eines einfachen Verfahrens gefertigt werden kann und eine hohe Lebensdauer des Stapels aufweist und auf welche ein Siebdruck-Beschichtungsverfahren angewendet wird.
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Die
DE 195 17 451 A1 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung mit Stromkollektor aus Drahtgewebematerial, bei der die Zell-Anoden und Kathoden durch bipolare Bleche abgetrennt sind, die Anoden, denen Brenngas zugeführt wird, und Kathoden mit Kathodengas aufweisen. Zwischen Anode und Kathode befindet sich eine Elektrolytmatrix. Zwischen den bipolaren Blechen, die benachbart zu den Anoden und Kathoden angeordnet sind, ist ein Stromkollektor-Drahtgewebe angebracht, das an jeder Anode und Kathode ein Strömungsquerschnitt für die Brenngas und das Kathodengas und einen elektrischen Kontakt zu jedem benachbarten bipolaren Blech ausbildet. Das den Kollektor ausbildende Drahtgewebe ist vorzugsweise im Querschnitt gewellt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Dementsprechend erfolgte die vorliegende Erfindung unter Berücksichtigung der obigen Probleme, welche beim Stand der Technik auftreten, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Separatorplatte bereitzustellen, welche dazu dient, ein Brenngas zu reformieren, während es diesem ermöglicht wird, auf effiziente Weise in diese hinein und heraus zu strömen und außerdem dazu dient, die elektrische Verbindung zwischen einer Anode und einer Kathode zu realisieren.
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Um die obige Aufgabe zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung eine Separatorplatte für eine MCFC bereit, die die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst. Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
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Die Führungsvorsprünge und die Führungsfurchen können in Form einer kontinuierlich gewellten Struktur ausgebildet sein, um dadurch Pfade für den Gasstrom über die gesamte Oberfläche der Separatorplatte zu verteilen.
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Ein Verfahren zur Herstellung einer Separatorplatte für eine MCFC umfasst: (1) einen Vorbereitungsschritt des Schneidens einer Zentralplatte, um einen Zentralbereich und vier Randbereiche um diesen herum zu bilden; (2) einen Schritt der Kanalbildung zur Bildung von Führungsvorsprüngen und Führungsfurchen auf einem Zentralbereich der Zentralplatte; (3) einen Beschichtungsschritt zum Versehen des Zentralbereichs, in dem sich die Kanäle befinden, mit einem Nickelüberzug und der Randbereiche mit einem korrosionsbeständigen Überzug; und (4) einen Formgebungsschritt des Faltens der Randbereiche, um somit Seitenwandelemente zu bilden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, welche die Struktur einer Einheitszellplatte einschließlich der Separatorplatte für eine MCFC nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ist eine Draufsicht, welche das Entwicklungsstadium der Zentralplatte zur Verwendung bei der Herstellung der Separatorplatte von 1 darstellt, bevor diese gefaltet wird;
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3 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche den Vorgang des Zusammenbaus der Zentralplatte aus 2 darstellt;
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4 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A' der Einheitszellplatte aus 1;
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5 ist eine perspektivische Ansicht, welche den Vorgang des Faltens der Zentralplatte aus 2 darstellt;
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6 ist ein Flussdiagramm, welches den Vorgang der Herstellung der Separatorplatte für eine MCFC nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Reihe nach darstellt; und
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7 ist ein Flussdiagramm, welches den Vorgang der Herstellung der Separatorplatte für eine MCFC nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Reihe nach darstellt.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Im Folgenden wird eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen gegeben.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst die Separatorplatte für eine MCFC nach der vorliegenden Erfindung eine Zentralplatte, welche aus einer korrosionsbeständigen Metallplatte besteht. Die Separatorplatte der vorliegen Erfindung umfasst einen Kanalbereich, welcher gebildet wird durch Bearbeitung des Zentralbereichs der Zentralplatte 11, um eine gewellte Struktur mit Führungsvorsprüngen 18 und Führungsfurchen 19 auf deren beiden Oberflächen zu bilden, und ein erstes Seitenwandelement 12 und ein zweites Seitenwandelement 13, wobei jedes derart in die Zentralplatte integriert ist, dass ein erster Randbereich 12A und ein zweiter Randbereich 13A, welche an beiden Kanten des Kanalbereichs angeordnet sind, in die Zentralplatte 11 integriert sind und einander gegenüber liegen, und aufwärts in Form einer rechteckigen Leiste gefaltet werden, wobei eine Fläche in Richtung des Zentralbereichs der Zentralplatte offen ist. Ferner existieren ein drittes Seitenwandelement 15 und ein viertes Seitenwandelement 16, wobei jedes von diesen in die Zentralplatte 11 auf eine Weise integriert ist, dass ein dritter Randbereich 15A und ein vierter Randbereich 16A, integriert in die Zentralplatte 11 und einander gegenüber liegend, abwärts gefaltet werden. Zusätzlich umfasst die Separatorplatte der vorliegenden Erfindung ferner eine erste Endplatte 14, angebracht zwischen den beiden Enden des ersten Seitenwandelements 12 und des zweiten Seitenwandelements 13 an den Enden derselben am vierten Seitenwandelement 16, und ein fünftes Seitenwandelement 20, angebracht auf dem Randbereich der Zentralplatte 11 auf dem dritten Seitenwandelement 15, um sich zwischen dem ersten Seitenwandelement 12 und dem zweiten Seitenwandelement 13 zu befinden, so dass dessen Enden zwischen den beiden Enden des ersten Seitenwandelements 12 und des zweiten Seitenwandelements 13 am dritten Seitenwandelement 15 offen sind. Außerdem existiert eine zweite Abdichtungsplatte 151 und eine dritte Abdichtungsplatte 152, befestigt an den offenen Enden des dritten Seitenwandelements 15, zusammen mit einer vierten Abdichtungsplatte 161 und einer fünften Abdichtungsplatte 162, befestigt an den offenen Enden des vierten Seitenwandelements 16.
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Das heißt, dass die Zentralplatte 11 bei der Separatorplatte der vorliegenden Erfindung aus einem Zentralbereich und aus peripheren Bereichen besteht. Der Zentralbereich besitzt Gasstromwege, das heißt, Führungsvorsprünge 18 und Führungsfurchen 19, und die peripheren Bereiche sind durch einen Faltungsvorgang zu Seitenwandelementen ausgebildet, wodurch die Anzahl der Bestandteile der Separatorplatte minimiert wird, was die zu verschweißenden Stellen reduziert. Ferner sind bei der vorliegenden Erfindung die Seitenwandelemente auf eine Weise aufgebaut, dass sie in die Zentralplatte integriert sind, wodurch die Luftdichtheit erhöht wird und Korrosionsprobleme gelöst werden, welche an den geschweißten Stellen auftreten können.
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Die Metallplatte, gebildet aus korrosionsbeständigem Material wie beispielsweise rostfreiem Stahl, ist geschnitten wie in 2 dargestellt. Ihr Zentralbereich wird zu einer gewellten Struktur verarbeitet, mit den Führungsvorsprüngen 18 und den Führungsfurchen 19 auf ihren beiden Oberflächen, wodurch der Kanalbereich gebildet wird. Die Führungsvorsprünge 18 und die Führungsfurchen 19 können in Form einer kontinuierlich gewellten Struktur ausgebildet sein. Mit Bezug auf 1, wenn vom Anodenraum aus gesehen, entsprechend der oberen Oberfläche der Platte, besitzen die Führungsvorsprünge 18 und die Führungsfurchen 19 eine inverse und korrespondierende Anordnung zu jenen, welche von der unteren Oberfläche zu sehen sind. Diese Führungsvorsprünge und Führungsfurchen können auf einfache Weise unter Verwendung einer Presse gebildet werden, was Fachleute offenkundig verstehen werden. Der Zentralbereich der Metallplatte, der die Zentralplatte 11 bildet, das heißt der Kanalbereich, wird vorzugsweise mit einer Beschichtung aus Nickel versehen, um dessen Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Das Verfahren zum Überziehen mit Nickel wird als solches durchgeführt durch Auftragen von Nickel auf den Kanalbereich, um dessen Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, und kann unter Anwendung eines typischen Galvanik-Verfahrens erfolgen.
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Wie in 2 dargestellt, sind der erste Randbereich 12A, der zweite Randbereich 13A, der dritte Randbereich 15A und der vierte Randbereich 16A, entsprechend vier Randbereichen, die an den Kanten des Kanalbereichs angeordnet sind, gefaltet wie in 5 zu sehen, um somit das erste Seitenwandelement 12, das zweite Seitenwandelement 13, das dritte Seitenwandelement 15 und das vierte Seitenwandelement 16 auf entsprechende Weise zu bilden. Der erste Randbereich 12A und der zweite Randbereich 13A, welche einander gegenüber liegen, besitzen zwei Faltlinien und sind somit zwei Mal gefaltet. Infolgedessen sind sowohl das erste Seitenwandelement 12 als auch das zweite Seitenwandelement 13 in Form einer rechteckigen Säule mit einer offenen Fläche ausgebildet. Das heißt, wie aus 5 ersichtlich, dass das erste Seitenwandelement 12 und das zweite Seitenwandelement 13 gebildet werden durch Falten des ersten Randbereichs 12A und des zweiten Randbereichs 13A nach oben (dargestellt durch „UP”). Den zweiten Randbereich 13A anschaulich beschreibend ist eine erste Fläche 13-1 des zweiten Randbereichs 13A um 90°, bezogen auf die Zentralplatte, gefaltet, und eine zweite Fläche 13-2 ist ebenso um 90°, bezogen auf die erste Fläche 13-1, gefaltet, dadurch das zweite Seitenwandelement 13 in Form der rechteckigen Leiste bildend, wobei eine ihrer Flächen in Richtung des Zentralbereichs der Zentralplatte 11 geöffnet ist. Außerdem ist der erste Randbereich 12A, der eine erste Oberfläche 12-1 und eine zweite Oberfläche 12-2 aufweist, wie der zweite Randbereich 13A gefaltet. Somit liegt der offene Bereich des ersten Seitenwandelements 12 gegenüber dem offenen Bereich des zweiten Seitenwandelements 13.
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Zusätzlich werden, wie in 5 ersichtlich, das dritte Seitenwandelement 15 und das vierte Seitenwandelement 16 gebildet durch Falten des dritten Randbereichs 15A und des vierten Randbereichs 16A nach unten (dargestellt durch „DOWN”). Den dritten Randbereich 15A anschaulich beschreibend ist eine erste Fläche 15-1 des dritten Randbereichs 15A um 90°, bezogen auf die Zentralplatte 11, gefaltet, eine zweite Fläche 15-2 um 90°, bezogen auf die erste Fläche 15-1, gefaltet, und ebenso ist eine dritte Fläche 15-3 um 90°, bezogen auf die zweite Fläche 15-2, gefaltet, dadurch das dritte Seitenwandelement 15 in Form einer rechteckigen Leiste bildend, wobei vier Flächen davon geschlossen sind, im Gegensatz zum ersten Seitenwandelement 12 und zum zweiten Seitenwandelement 13. Außerdem ist der vierte Randbereich 16A, er eine erste Oberfläche 16-1, eine zweite Oberfläche 16-2 und eine dritte Oberfläche 16-3 aufweist, gefaltet wie der dritte Randbereich 15A, was im vierten Seitenwandelement 16 resultiert.
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Nachdem die Seitenwandelemente durch Falten der Randbereiche, wie in 5 ersichtlich, gefaltet wurden, sind die Bereiche des ersten Seitenwandelements 12 und des zweiten Seitenwandelements 13, wie in 3, geschlossen. Das heißt, wie in 3 dargestellt, ist eine erste Endplatte 14 zwischen beide Enden des ersten Seitenwandelements 12 und des zweiten Seitenwandelements 13 an deren Enden am vierten Seitenwandelement 16 befestigt. Ferner werden beide Enden des ersten Seitenwandelements 12 und des zweiten Seitenwandelements 13 am dritten Seitenwandelement 15 in offenem Zustand gehalten, um als Einlass für das Brenngas zu dienen. An diesem Ende ist das fünfte Seitenwandelement 20 am Seitenrand der Zentralplatte 11 auf dem dritten Seitenwandelement 15 angebracht, so dass das fünfte Seitenwandelement 20 zwischen dem ersten Seitenwandelement 12 und dem zweiten Seitenwandelement 13 angeordnet ist. Dementsprechend wird, wenn von der oberen Oberfläche des dritten Seitenwandelements 15 aus gesehen, wie in 1, ein Brenngas-Einlass 121 durch die Flächen, die das erste Seitenwandelement 12 und die Seitenfläche des fünften Seitenwandelements 20 bilden, definiert, und ein Brenngas-Auslass 131 wird durch die Flächen, die das zweite Seitenwandelement 13 und die Seitenfläche des fünften Seitenwandelements 20 bilden, definiert. Ferner sind, wie in den 1 und 4 ersichtlich, eine Anoden-Kollektorplatte 30, eine Anode 40 und eine erste Elektrolytmatrix 50 in sequenzieller Weise auf der Zentralplatte in der Richtung angeordnet (dargestellt durch „UP”), welche umgeben ist vom ersten Seitenwandelement 12, dem zweiten Seitenwandelement 13, der ersten Endplatte 14 und dem fünften Seitenwandelement 20, dadurch den Anodenraum bildend. Auf diese Weise sind, wie in 4 ersichtlich, eine Kathoden-Kollektorplatte 31, eine Kathode 41 und eine zweite Elektrolytmatrix 51, in dieser Reihenfolge, unterhalb der Zentralplatte 11 in der Richtung angeordnet (dargestellt durch DOWN” in 5), in welcher das dritte Seitenwandelement 15 und das vierte Seitenwandelement 16 gebildet wurden, zum Kathodenraum führend.
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Wie in 1 wird ein Brenngas, welches über den Brenngas-Einlass 121 (dargestellt durch „IN”) des ersten Seitenwandelements 12 zugeführt wird, durch den Kanalbereich, der durch die Führungsvorsprünge 18 und Führungsfurchen 19 definiert wird, geleitet und anschließend in Richtung des Brenngas-Auslasses 131 (dargestellt durch „OUT”) des zweiten Seitenwandelements 13 strömt, so dass die Richtung des Gasstroms auf 180° geändert wird. Ein derartiger Gasstrom dient dazu, die Temperaturverteilung der Separatorplatte, erwärmt durch Wärme, welche während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt wird, einheitlich zu gestalten. Zusätzlich dient das fünfte Seitenwandelement 20 dazu, die Kollektorplatte des auf der Platte bereitgestellten Anodenraums zu stützen, zusammen mit dem ersten Seitenwandelement 12 und dem zweiten Seitenwandelement 13. Das fünfte Seitenwandelement 20 kann außerdem durch Schweißen angebracht werden, wie bei der ersten Endplatte 14. Während das dem Brenngas-Einlass 121 zugeführte Brenngas in Kontakt gebracht wird mit der Oberfläche der Zentralplatte 11, welche die Führungsvorsprünge 18 und die Führungsfurchen 19 besitzt, wird dieses somit durch Wärme, welche während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt wird, und durch den auf die Zentralplatte aufgebrachten Katalysator reformiert, um somit zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt zu werden. Der somit umgewandelte Wasserstoff und das Kohlendioxid werden an der Anode 40 oxidiert, und Sauerstoff oder Luft wird der Kathode 41 zugeführt, um somit Carbonat-Ionen zu erzeugen, welche anschließend über die zwischen der Anode 40 und der Kathode 41 angeordnete Elektrolytmatrix übertragen werden. Demzufolge fließen Elektronen über einen äußeren Stromkreis. Insbesondere kann die Reformierungsreaktion auf eine Weise erfolgen, in der das Brenngas in einem Manifold (aus Gründen der Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt), welcher verbunden ist mit dem Einlass der Anode 40, einer primären Reformierungsreaktion und anschließend in dem Bereich der Zentralplatte 11, welcher dem Anodenraum entspricht, einer sekundären Reformierungsreaktion unterworfen wird.
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Der dritte Randbereich 15A und der vierte Randbereich 16A, welche einander gegenüber liegen, besitzen drei Faltlinien und sind somit drei Mal gefaltet. Dementsprechend, wie in 3 ersichtlich, besitzen das erste Seitenwandelement 15 und das vierte Seitenwandelement 16 vier Flächen, welche longitudinal ausgedehnt sind, um die Form eines geschlossenen Rechteckquerschnitts zu bilden. Dadurch kann ein Gas, das heißt ein oxidierendes Gas, zwischen dem dritten Seitenwandelement 15 und dem vierten Seitenwandelement 16 strömen, welche einander gegenüber liegen. Das dritte Seitenwandelement 15 und das vierte Seitenwandelement 16 werden unterhalb der Oberfläche der Platte gebildet, gegenüber der Fläche, auf welcher das erste Seitenwandelement 12 und das zweite Seitenwandelement 13 gebildet werden. Das oxidierende Gas strömt von dessen Einlass auf die Seite gegenüber des Einlasses durch den Kanalbereich, der durch die Führungsvorsprünge 18 und die Führungsfurchen 19 definiert wird. Das heißt, wie durch den Pfeil in 1 dargestellt, dass das oxidierende Gas aus der Richtung des ersten Seitenwandelements 12 (dargestellt durch „in”) in die Richtung des zweiten Seitenwandelements 13 (dargestellt durch „out”) strömt, während die von der Anode 40 aus übertragenen Wasserstoff-Ionen (H+) an der Kathode 41 reduziert werden.
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Beide offenen Enden sowohl des dritten Seitenwandelements 15 als auch des vierten Seitenwandelements 16 können durch Verwenden einer Abdichtungsplatte geschlossen werden. Das heißt, dass beide offenen Enden des dritten Seitenwandelements 15 dadurch geschlossen werden, dass eine zweite Abdichtungsplatte 151 und eine dritte Abdichtungsplatte 152 daran befestigt werden, und beide offenen Enden des vierten Seitenwandelements 16 werden durch Befestigen einer vierten Abdichtungsplatte 161 und einer fünften Abdichtungsplatte 162 an derselben geschlossen. Dadurch kann das oxidierende Gas einheitlich in eine Richtung strömen. Die zweite Abdichtungsplatte 151, die dritte Abdichtungsplatte 152, die vierte Abdichtungsplatte 161 und die fünfte Abdichtungsplatte 162 können mittels Schweißen während der Herstellung der Separatorplatte befestigt werden. Das dritte Seitenwandelement 15 und das vierte Seitenwandelement 16 dienen dazu, die Kollektorplatte des Kathodenraums zu stützen.
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Die entsprechenden Randbereiche 12A, 13A, 15A, 16A, welche das erste Seitenwandelement 12, das zweite Seitenwandelement 13, das dritte Seitenwandelement 15 und das vierte Seitenwandelement 16 bilden, werden mit einem korrosionsbeständigen Überzug versehen unter Verwendung jeweils eines korrosionsbeständigen Materials, ausgewählt unter den folgenden: Aluminium, Nickel Aluminium und Aluminium-Titan, womit die Korrosionsbeständigkeit gesteigert wird. Das Auftragen eines derartigen korrosionsbeständigen Überzugs wird vorzugsweise unter Verwendung eines bekannten Verfahrens durchgeführt, wie beispielsweise Siebdruck, und somit kann die Überzugsschicht zu einer zuvor festgelegten Dicke im Bereich von 10 bis 100 μm gebildet werden, abhängig vom vertikalen Abstand zwischen der Schablone und dem Seitenwandelement.
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Insbesondere hat das Strömen des Brenngases zwischen dem ersten Seitenwandelement 12 und dem zweiten Seitenwandelement 13 und das Strömen des oxidierenden Gases zwischen dem dritten Seitenwandelement 15 und dem vierten Seitenwandelement 16 einen Parallelstrom (co-flow) in die gleiche Richtung zur Folge, wodurch die Leistung des Stapels und die Haltbarkeit und Lebensdauer der Separatorplatte erhöht werden.
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Nach Abschluss der Herstellung der Separatorplatte wie oben beschrieben, wie in den 1 und 4 dargestellt, ist im Anodenraum eine Anoden-Kollektorplatte 30 angebracht am ersten Seitenwandelement 12, am zweiten Seitenwandelement 13 und am fünften Seitenwandelement 20, wobei die Anode 40 an der Anoden-Kollektorplatte 30 und die erste Elektrolytmatrix 50 an der Anode 40 angebracht ist. Die Anoden-Kollektorplatte 30 besteht aus einer Vielzahl von Löchern 32. Durch die Löcher 32 wird das Brenngas in Kontakt mit der Anode gebracht. Ferner ist im Kathodenraum die Kathoden-Kollektorplatte 31 unterhalb des dritten Seitenwandelements 15 und des vierten Seitenwandelements 16 angebracht, wobei sich die Kathode 41 unterhalb der Kathoden-Kollektorplatte 31 befindet, und die zweite Elektrolytmatrix 51 ist unterhalb der Kathode 41 angebracht, wodurch eine einzelne Einheitszellplatte 10 vervollständigt wird. Zwei oder mehr Zellplatten können abhängig von der erforderlichen Kapazität miteinander verbunden werden, um somit ein einzelnes Modul zu bilden. Bei der Einheitszellplatte 10 bildet ein Bereich zwischen einer Separatorplatte und einer anderen darauf oder darunter befindlichen Separatorplatte eine Zelle. Das heißt, dass der Anodenraum und der Kathodenraum, welche sich auf und unterhalb der Elektrolytmatrix befinden, als Anode beziehungsweise als Kathode dienen, womit eine Einheitszelle gebildet wird. Auf Grund der elektrochemischen Reaktion des dem Anodenraum zugeführten Brenngases und des dem Kathodenraum zugeführten oxidierenden Gases wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
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Ferner ist eine Leitschaufel an einem Gasverteiler 12 des Anodenraums angebracht, so dass Brenngas mit einheitlicher Strömungsrate dem Zentralbereich der Separatorplatte zugeführt wird. Außerdem kann ein Zufuhrrohr (ein Zufuhrrohr im Manifold) zur Zufuhr eines Brenngases am Brenngas-Einlass 121 und am Brenngas-Auslass 131 durch Verschweißen angeschlossen werden, und ein Manifold zur Zufuhr eines oxidierenden Gases kann mit dem Kathodenraum durch Verschweißen verbunden werden, was für Fachleute leicht zu verstehen ist. Das Gaszufuhrrohr ist mit einem ersten externen Reformer unter Verwendung eines Flanschs verbunden. In diesem Fall sollte, um eine elektrische Isolierung zu gewährleisten, der Flansch aus Aluminiumoxidkeramik bestehen.
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Insbesondere wird der Zentralbereich des Anodenraums der Separatorplatte mit einem korrosionsbeständigen Überzug versehen, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, und wird mit Katalysatorpartikeln beladen oder diese werden darauf aufgebracht. Dadurch wird, in dem Fall, in dem das der Brennstoffzelle zugeführte Brenngas nicht Wasserstoffgas umfasst, sondern Erdgas oder Kohlegas, dieses direkt zu Wasserstoff und Kohlendioxid reformiert, welche anschließend unmittelbar zur Erzeugung von Elektrizität verwendet werden.
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Wie in 6 dargestellt umfasst das Verfahren zur Herstellung der Separatorplatte für eine MCFC der vorliegenden Erfindung (1) einen Vorbereitungsschritt des Schneidens einer Zentralplatte 11, um einen Zentralbereich und vier Randbereiche um diesen herum zu erhalten; (2) einen Schritt zur Kanalbildung, um Führungsvorsprünge 18 und Führungsfurchen 19 auf dem Zentralbereich der Zentralplatte 11 zu bilden; (3) einen Schritt des Beschichtens, um den Zentralbereich mit den Kanälen mit Nickel zu überziehen und die Randbereiche mit einem korrosionsbeständigen Überzug zu versehen; (4) einen Schritt der Formgebung, um die Randbereiche zu falten, um somit die Seitenwandelemente zu bilden; und (5) einen Schritt des Schweißens zum Schweißen der Zufuhrrohre, um Gase einem Anodenraum und einem Kathodenraum zuzuführen, gebildet durch die Seitenwandelemente. Das heißt, dass nach der vorliegenden Erfindung eine Zentralplatte 11 in die Separatorplatte durch Bearbeiten und Falten auf eine Weise eingearbeitet wird, dass die Zentralplatte 11 auf eine Weise geschnitten ist, dass sie einen Zentralbereich und vier Randbereiche um diesen herum besitzt, und die Führungsvorsprünge 18 und die Führungsfurchen 19 auf dem Zentralbereich der Zentralplatte 11 gebildet werden, somit die Kanäle definierend, wonach die Randbereiche gefaltet werden, um somit die Seitenwandelemente zu bilden. Auf diese Weise kann die Separatorplatte, welche dazu dient, das Brenngas zu reformieren, während es diesem ermöglicht wird, effizient dort hinein und heraus zu strömen, und welche dazu dient, die elektrische Verbindung zwischen der Anode 40 und der Kathode 41 zu realisieren, auf einfache Weise hergestellt werden. Folglich wird die Anzahl der zur Herstellung der Separatorplatte erforderlichen Bauteil verringert und somit ist die Zahl der Schweißvorgänge am geringsten, was es ermöglicht, eine höchst zuverlässige Separatorplatte mit hoher Korrosionsbeständigkeit herzustellen.
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Nach dem Schritt des Beschichtens kann ferner ein Schritt einer thermischen Behandlung zum Erwärmen der Überzugsschicht zwecks Stabilisierung derselben erfolgen.
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Alternativ, wie in 7 dargestellt, kann die Reihenfolge bei der Herstellung der Separatorplatte verändert werden, was keinen Einfluss auf die Herstellung der Separatorplatte hat. Gemäß dem obigen Verfahren kann die Separatorplatte auf effiziente Weise hergestellt werden, was von Fachleuten leicht verstanden wird.
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Die Separatorplatte für eine MCFC mit der obigen Struktur kann durch Verarbeiten einer Metallplatte und Anbringen von Abdichtungsplatten und Dichtungskörpern an deren ungefalteten Bereichen und Anwenden von Schweißvorgängen gebildet werden. Folglich ist es möglich, die Separatorplatte auf einfache Weise herzustellen, welche dazu dient, das Brenngas zu reformieren, während es diesem ermöglicht wird, auf effiziente Weise dort hinein und heraus zu strömen und welche dazu dient, die elektrische Verbindung zwischen der Anode 40 und der Kathode 41 zu realisieren.
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Wie zuvor beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung eine Separatorplatte für eine MCFC und ein Verfahren zur Herstellung derselben bereit. Nach der vorliegenden Erfindung dient die Separatorplatte dazu, ein Brenngas darin direkt zu reformieren, um somit das reformierte Gas einer Anode 40 zuzuführen. Unter Anwendung einer Reformierungsreaktion, die eine endotherme Reaktion ist, kann die interne Temperatur der Brennstoffzelle kontrolliert werden und dadurch die Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle auf einheitliche Weise kontrolliert werden, wodurch der Bereich thermischer Belastung minimiert wird, was eine verlängerte Lebensdauer der Brennstoffzelle zur Folge hat. Ferner ergibt sich, da eine einzelne Zentralplatte 11 zu einer Separatorplatte mittels eines Faltungsvorgangs gebildet wird, eine hohe Produktivität. Weiterhin kann die Separatorplatte durch Verwendung eines Faltungsvorgangs auf effiziente Weise hergestellt werden.
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Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu Zwecken der Darstellung offenbart wurden, werden Fachleute anerkennen, das verschiedene Abänderungen, Zufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne dass vom Umfang und Geist der Erfindung, wie in den anhängenden Ansprüchen offenbart, abgewichen wird.
